（通信与信息系统专业论文）bragg光纤的传输特性研究及其结构设计.pdf

j e 塞窒适塞堂亟堂焦淦室生塞摘噩 中文摘要 b r a g g 光纤又称全向导波光纤( o m n i g u i d ef i b e r ) ，由y a r i v 等人在1 9 7 8 年提 出。b r a g g 光纤是一种特殊结构的光子晶体光纤，它的包层具有一维周期性圆对称 结构，可以被视为一维光子晶体。2 0 世纪末，由于光子晶体和光子晶体光纤的理 论与大量实验成果，b r a g g 光纤，尤其是空气芯的b r a g g 光纤，获得了越来越多的 关注，众多大学、科研机构花费了大量人力物力对b r a g g 光纤的理论和实际应用 进行了研究。理论和实验都表明b r a g g 光纤具有很多优良的性能，如大模场面积， 色散灵活可调、偏振不相关、极低非线性等，在特种光纤、光电子器件、光纤传 感、高能传输等方面具有广阔的应用前景。 由于制作工艺困难，到目前为止，有关b r a g g 光纤的研究报道仍然不多。本 文主要研究b r a g g 光纤的传输特性，并设计一种b r a g g 光纤，主要内容如下： 1 应用平面波法，分析了普通b r a g g 光纤的能带结构；利用等效介质的一维 近似，使用一维平面波法分析了圆形光子晶体光纤的能带结构；同样利用一维近 似，分析了实用b r a g g 光纤的能带结构。 2 介绍了b r a g g 光纤的模式，分析了模式的损耗、色散和非线性效应等特性 对b r a g g 光纤传输的影响。 3 分析了制作b r a g g 光纤的材料及其物化特性，实际设计了两种结构的b r a g g 光纤，分析了其性能及潜在应用，并对石英一空气b r a g g 光纤的制备工艺作了研 究。 关键词：b r a g g 光纤；能带结构；模式：传输特性 分类号：t n 2 5 5 3 3 拙塞銮垣厶堂亟竺位论奎旦5 丛鲤 a b s t r a c t b r a g g 硒e r w h i c he a rb ea l s oc a l l e do m n i g u i d ef i b e r , w a sf i r s t l yp r e s e n t e db yy a r i vi n 1 9 7 8 b r a g gf i b e ri so n eo f1 - dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s , o fw h i c ht h ec l a d d i n gi sa o n e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lc o n s t r u c t e db ya l t e m a t i n gl a y e r so fd i e l e c t r i cm e d i a w i t hh i g ha n dl o wr e f r a c t i v ei n d i c e s s i n c et h ee n do ft h e2 0 “e n t u r y , m a n ye x c i t e d a c h i e v e m e n t so ft h ep h o t o n i cc r y s t a l sa n dt h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sh a v eb e e n d e m o n s t r a t e d ，t h eb r a g gf i b e r sh a v eo b t a i n e dm o r ea n dm o g ea t t e n t i o n s , a n dm a n y c o l l e g e sa n di n s t i t u t e sa r o u n dt h ew o r l dh a v es p e n tag r e a td e a lo fe n d e a v o u ro nt h e t h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n sr e s e a r c h e so fb r a g gf i b e r s b o t ht h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s s h o wt h a tb r a g gf i b r e sh a v em a n yn o v e lp r o p e r t i e s , s u c ha sl a r g em o d ea r e a , t a i l o r a b l e d i s p e r s i o n ，p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o n ，e x t r e m e l yl o wn o n - l i n e a r i t y , a n ds o o n i tw i l lb eab r i g h ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do nt h es p e c i a lf i b e r s ，p h o t o n i cd e v i c e s ， f i b e rs e n s o ra n dh i g h - p o w e rt r a n s m i s s i o n b e c a u s eo ft h ef a b r i c a t i o no ft h eb r a g gf i b e ri ss t i l lv e r yd i f f i c u l t t h e r eh a v ef e w l i t e r a t u r e sa b o u tt h eb r a g gf i b e rb yf a r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e s o ft h eb r a g gf i b e r sa r ea n a l y z e da n dan o v e lb r a g gf i b e ri sd e s i g n e df o ras p e c i a lc a s e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 t h ep h o t o n i cb a n dg a p so fc o m m o nb r a g gf i b e r sh a v e b e e na n a l y z e db yu s i n g t h ep l a n ew a v ee x p a n s i o nm e t h o d ( p w m ) b yt h em o d e lo ft h ee f f e c t i v e - m e d i u m s t r u c t u r e t h et w o - d i m e n s i o n a ll a t t i c es t r u c t u r eo fc i r c u l a rp c fc a nb ea p p r o x i m a t e dt oa o n e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，a n dt h ep h o t o n i cb a n dg a p sc a l lb ec a l c u l a t e db yt h e1 - d p w m c o n s i d e r i n gt h ea n a l o g yb e t w e e nb r a g gf i b e ra n dc i r c u l a rp c f , t h eb a n dd i a g r a m o fb r a g gf i b e r sc a nb eo b t a i n e dw i t ht h eo n e - d i m e n s i o n a la p p r o x i m a t i o n 2 t 1 i em o d e so ft h eb r a g gf i b e r sa g ed e m o n s t r a t e di nd e t a i li n c l u d i n gt h e t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft h ep o w e rl o s s ，t h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o na n dt h en o n - l i n e a r i t y c o e f f i c i e n t 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a lf o rf a b r c a t i n gb r a g gf i b e r sh a v eb e e n r e v i e w e d i nt h i sp a p e r , w eh a v ep r e s e n t e dt w oi m p l e m e n t a t i o n so ft h es i l i c a - a f tb r a g g f i b e rw i t hi t sb a n ds t r u c t u r ea n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e sf o r a i r - s i l i c ab r a g gf i b e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：b r a g gf i b e r ；b a n dg a p ；m o d e ；t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e s ； c l a s s n 0 ：t n 2 5 _ 5 3 3 致谢 时光飞逝，三年的学习和科研生活即将结束，回首走过的路，尽管有许多的 失败和挫折，但我却从中感受颇多，收获颇丰。本文完成之际，谨向所有曾经关 心和帮助我的老师和同学表示衷心的感谢! 首先我要感谢我的导师王智教授。本论文是在王老师的悉心指导下完成的， 自论文选题以来，王智老师对于我的科研情况给予了极大的关注，在论文的每个 阶段都给予悉心的指导，督促我的论文进展。可以说，论文所取得的成绩倾注了 王智老师的心血。同时，王老师在生活上也给予了我无微不至的关怀和帮助。藉 此论文完成之际，谨向培育我的导师表示诚挚的谢意! 感谢荆涛教授和翟美云老师。他们曾在我遇到困难时，给了我无私的指导和 帮助，关怀和鼓励。对待生活的热情和为人着想的生活态度鼓舞着我前进。 感谢实验室的付立、刘莉、霍炎等博士，以及蒲海铭、陈栋、张大伟、尹琳 琳、王爱宇、陈小龙等同学，他们在我的学习、生活和工作等方面给予了莫大的 帮助。正是朋友的鼓励和帮助，才使我克服了一个又一个困难。衷心地感谢他们! 最后，也是最重要的，感谢辛勤养育我的父母，你们一直在我身后默默地关 心和鼓励我，分享我的快乐与烦恼，使我在近二十年的求学路上总是充满欢乐与 自信，你们对我的支持是我前进的最大动力。这篇硕士论文也是我献给我父母的 微薄回报，并借此机会说一声：爸爸妈妈，你们辛苦了l 感谢我的母校北京交通大学。在这里，我渡过了七年的美好时光。知行统一， 饮水思源，将成为我今后人生处事立业的原则，愿母校的明天更美好1 e 瘟銮垣厶堂亟坐位论塞 绪i 金 1 绪论 光纤通信已有3 0 多年的发展史。光纤通信从它诞生之日起就受到人们的特别 关注，而且专业入士从那时起就预测到它有巨大的通信传输容量。在信息社会发 展迅猛的今天，光纤通信已经渗透到各种电信网络中，它已经发展得越来越成熟， 正朝着超高速、大容量的通信系统发展，开发并敷设新一代光纤己成为构筑下一 代电信网的基础。然而，现已敷设的正在使用的传统光纤容易受到损耗、色散和 非线性效应等因素的影响，使得要想进一步提高网络的通信性能越来越困难。因 此，人们开始极力寻求新型的光纤来解决在传统光纤中难以解决的问题。 在众多的新型光纤中，微结构光纤无疑是最具有发展潜力的。微结构光纤的 包层为周期性的微结构，光子晶体光纤1 1 j 和b r a g g 光纤1 2 t 是微结构光纤中最重要的 两类。光子晶体光纤包层具有二维周期性结构，b r a g g 光纤包层具有圆对称结构， 大多数微结构光纤利用光子带隙导光。光子晶体光纤和b r a g g 光纤以其特有的光 子带隙导光方式，能把光局域在空心光纤中，从而能大大降低光纤的传输损耗， 并且通过改变光纤的结构参数，可以有效地控制其损耗、色散、非线性等性质。 国内外关于光予晶体光纤的报道，无论是理论研究还是制备工艺的研究都有广泛 报道，并取得了丰富的研究成果，而关于b r a g g 光纤的报道却很少。因此，近年 来b r a g g 光纤已经成为人们广泛研究的热点。 1 1 微结构光子晶体光纤概述 微结构光纤( m o f ，m i c r o s t r u c t u r eo p t i c a lf i b e r ) ，又称多孔光纤( h f ，h o l e y f i b e r ) ，是光子晶体与光纤技术发展相结合的新兴技术。最早的微结构光纤是1 9 7 8 年y c h 和y a r i v 提出的b r a 路光纤【2 1 。1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 在研究抑制自发辐射时， 提出了光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念，几乎同时，s j o h n 在讨论光子局域时也 独立地提出了这个概念剐。光予晶体概念的提出向人们展示了一种新的控制光子 的机制，它完全不同于以往利用全反射来引导光传输。相对于电子晶体的晶格周 期性变化产生电子能带和带隙，光子晶体刚是折射率周期性交化产生光子能带和 带隙( p b 6 ，p h o t o n i cb a n dg a p ) 1 5 1 ：频率( 波长、能量) 处于禁带范围内的光子 禁止在光子晶体中传播。利用此原理，r u s s e l l 于1 9 9 1 年独到地提出了微结构光纤 的概念。这给光通信技术的发展和应用带来了新的生机和活力。2 0 世纪9 0 年代， 人们开始对光子晶体展开了深入的研究。1 9 9 6 年，j c k n i g h t 等人研制出了第一根 光子晶体光纤0 c f ，f h o t o n i ec r y s t a lf i b e r ) 1 6 - 7 1 。图1 1 便是光子晶体光纤一 种典型的结构： 图1 1 典型的光子晶体光纤的横截面图 与普通光纤不同，微结构光子晶体光纤的结构是在其包层内沿轴向排列了一 些有序的空气孔。从上面的横截面图可以看出，p c f 包层存在着周期性的微结构， 它通常是由石英和空气孔构成的具有二维周期性介电常数的微结构光纤，空气孔 沿光纤的纵向均匀延伸，在纤芯的位置存在实心或是空气孔的缺陷。由能带结构 理论，引入缺陷后，可以在带隙内产生缺陷态( d e f e c tm o d e ) ，缺陷态的频率落 在带隙内。由于光子晶体的特性，这些缺陷态可以有效地被局限在其中，形成局 域化模态，利用不同的缺陷形式可以设计出不同功能的光学元件。 圈1 2 不同捧列图样的微结构光子晶体光纤：( a ) 大数值孔径p c f ， ( b ) 大模场面积p c f ，( c ) 高非线性p c f ，( d ) 、( e ) 高双折射p c f ，( f ) 空心p c f 2 由于空气孔在横截面上的排列结构可以任意改变，同时空气孔的大小也可以 变化，因此通过改变它的排列图样可以很灵活地构造出很多其他结构的微结构光 子晶体光纤，从而设计出具有不同的特性的微结构光子晶体光纤，如图1 2 所示。 由于微结构光纤的特殊结构设计，因而使它具有不同于普通光纤的特性，如 它的色度色散特性可控l s - 9 t 、无波长限制单模传输( e n d l e s s l ys i n g l em o d e ) l l o l 、带 隙限制空芯导光、非线性效应可控【1 1 j 等诸多新奇特性。在光通信系统中，这些特 性展示了极为广泛的应用前景，如色散补偿1 1 2 - 1 3 】、非线性应用【件1 5 1 、光孤子通讯 【摇切、弯曲损耗1 18 】等等。随着对微结构光纤的进一步研究将会有更广阔的应用领 域。 1 2 b r a g g 光纤的提出 早在2 0 世纪7 0 年代中期，环形光纤1 2 1 的概念就已提出并在理论上做了初步研 究，但由于没有得到更多的新特性，并没有引起广泛关注。直到9 0 年代末期，人 们大胆地使用折射率差很大的介质材料制作环形光纤，发现了一些新的特征，才 再度成为光纤研究的热点之一，并有了新的名称l 协捌：“布拉格光纤( b r a g g f i b e r ) ”，“全向导波光纤( o m n i g u i d ef i b e r ) ”或“同轴光纤( c o a x i a lf i b e r ) ”。 与光子晶体光纤( p c f ) 在横截面内存在二维周期性结构、在纵向均匀延展类似， b r a g gf i b e r 的横截面内沿径向存在一维周期性结构，可看作是一维光子晶体。图 1 3 是b r a g g 光纤的截面图。 图1 3b r a g g 光纤的截面图 传统的同轴电缆也是一种环形波导，在金属同轴电缆中，电磁场限制在两个 同轴的金属圆柱之间。同轴电缆中的基模是t e m 模，模场分布沿圆周方向均匀， 频率与波矢量之间具有线性色散关系，这使得金属同轴电缆中的基模( t e m 模) 具有 两个独特的性质1 1 9 ，2 1 】：电磁波在其中传输时，由于场分布的径向对称性，不存在 偏振态旋转的闯题，因而没有偏振模色散( p m d ) ；线性色散关系使锝含有不同频 率分量的电磁波脉冲沿同轴电缆传输时能保持脉冲形状不变。但是，金属电缆存 在一个致命弱点一一在光波段的强烈吸收，因而不能用于光通信。 光波导必须使用介质材料。由于电磁场在金属表面和介质表面的边界条件不 同，介质波导中不存在t e m 模式。介质光波导利用全反射机制导光( 折射率导光) ， 使光传输损耗降到极低。普通石英光纤是介质波导最成功的应用之一。普通石英 光纤存在两个基本问题【1 9 j ：光纤中的基模( h e ) 场分布具有二重旋转对称性，从 光纤一端入射的光经光纤传输后，偏振态将变得与原来完全不同，这也是偏振相 关的光器件存在的根本问题；全反射机制不可能在弯曲半径小于3 m 的情况下仍 保持低损耗导光，而与光波长相比，3 m m 是一个很大的尺度，这限制了光器件小型 化的极限尺寸。 由空气孔和石英构成的光子晶体光纤是一种二维光子晶体结构，可在全介质 波导中实现二维光子带隙( p b g ) 导光，其基模仍然具有二重旋转对称性【1 9 , 2 2 1 ，不 能克服偏振态旋转问题，不过因为光可以在中空区域传输【2 3 洲，能减小材料的非 线性效应和吸收损耗，而且p b g 导光可以实现极小弯曲半径时的低损耗传输。 b r a g g 光纤综合金属同轴电缆和基于p b g 的介质波导的优点，是一种全介质的 同轴波导，具有许多新的特性：在同轴区域( 空气区域) 支持类似同轴电缆中t e m 模基模传输1 1 9 2 1 】；基模场分布圆周方向均匀，传输过程中偏振态不发生变化1 2 5 伽； 可在很宽波长范围内单模工作阳；通过结构参数设计、介质材料选取、工作波长 确定可使零色散波长位于单模范围，在传输过程中保持脉冲形状不变 2 8 - 2 9 ；弯曲 半径到波长数量级时仍保持良好的导光能力【1 9 2 1 1 。 1 3 b r a g g 光纤的研究现状 目前国际上对b r a g g 光纤的研究主要包括：理论模型及光学传输特性的研究； b r a g g 光纤的制造工艺；新型b r a g g 光纤的设计制作；以及基于b r a g g 光纤的偏振 控制器、传感器、模场、耦合器、滤波器、光纤光栅、光纤激光器等有源或无源 器件。 1 3 1 b r a g g 光纤的理论研究方法 对于b r a g g 光纤，理论计算是一项很重要的工作，因为如何更可靠、更精确 地设计和预测b r a g g 光纤的传输特性，从而指导b r a g g 光纤的制造，是人们不断追 求的目标。b r a g g 光纤的理论计算主要是针对特定结构的b r a g g 光纤进行解析的、 半解析的或数值的计算。到目前为止，研究者们常用到的理论研究方法有如下几 种： ( 1 ) 有效折射率法【1 0 l 4 韭夏窑垣太堂亟璺僮监塞 一绻论 这种方法将b r a g g 光纤简化为阶跃折射率光纤，即用一个恰当的折射率代替 包层的折射率来进行计算。这种方法计算简便，也能给出b r a g g 光纤的一些特性， 但不能精确计算色散、损耗等传输特性。 ( 2 ) 平面波展开法l 删 这种计算方法适合计算光子晶体光纤，b r a g g 光纤被视为一维光子晶体光纤， 也可以用平面波法进行计算。平面波法的基本思想是将光子晶体光纤的包层看作 理想的扩展到无穷远处的光子晶体，采用布洛赫理论将介电常数与电磁场用平面 波展开，将波动方程简化为一个矩阵本征值方程，求解后可以得到模式、传输常 数和光子晶体能带。此方法的有点是思路清晰明了，易于计算机编程，但计算量 会随着使用平面波数量的增加而增加。 ( 3 ) 有限元法1 3 l l 这种方法将光子晶体按照一定的规贝划分为网格空问，在某个特定的频率下 求解有限元规则下的差分方程，得到m a x w e l l 方程的解。这种方法的优点是对光 纤的结构是对光纤的几何结构描述比较精细，但计算量大。 ( 4 ) 有限时域差分法1 3 2 】 这种方法直接把带有时问的m a x w e l l 方程组在y e e 氏网格中转化为差分方程。 这种网格上的电场分量( 磁场分量) 仅与其相邻网格上的磁场分量( 电场分量) 以及上一时间步的场量有关。采用这种方法可以直接在数值空问中模拟电磁波的 传播以及它与物体的相互作用过程。此种方法较直接，易于编程计算。 ( 5 ) 双正交基方法1 3 3 j 这种方法把横向电场分量和横向磁场分量满足的矢量方程借助非自伴算符及 其本征矢的概念，转换成双正交基问题来处理，可得到有效折射率、损耗、模式 场等等结果。这种方法可以计算一般的微结构光纤，但计算比较繁杂。 ( 6 ) 超格子模型卅 超格子模型是笔者导师提出的一种新模型算法，这种模型发展了正交函数方 法，计算中涉及到的特征矩阵的元素有解析的表达式，计算效率得到大大的提高， 可以很容易的在p c 机上实现。 目前国际上对b r a g g 光纤的理论研究主要包括：新模型、算法的提出和发展； 对b r a g g 光纤的光学传输特性分析；设计新型b r a g g 光纤以满足特殊的光学特性等。 1 3 2 b r a g g 光纤的制造工艺 早在1 9 7 8 年人们就提出了b r a g g 光纤，并从理论上证明了其在低损耗、色散 控制、非线性等方面较之传统光纤有很大的优点。但是如何在工艺上做出真正实 s 韭立窒煎厶堂亟堂位j 幺窑 绪i 垒 用的b r a g g 光纤，长期以来一直是一个困扰人们的难题。一般的光纤制造流程可 以分为预制棒的制作和光纤的拉制。在b r a g g 光纤制造中如何选用合适的材料以 满足折射率的不同不难，难的是这些材料的选择必须同时满足其他一些物理性质： 如几何形状易于控制( 包层厚度要控制在微米甚至亚微米量级) ：材料的韧性要好 ( 不能太脆) ；光学损耗不能太高；不同折射率介质的温度性能( 热膨胀系数) 要 相近，粘滞系数要具有连续变化性等。 在2 0 0 2 年麻省理工学院的研究人员用聚合物和a s 2s e 3 做出了空心的b r a g g 光纤【2 1 】( 图1 4 a ) 。其包层厚度可低到0 5 u m 量级。2 0 0 3 年日本东北大学电子通信 系的lk a t a g i r i 等人制造了实芯多层环状b r a g g 光纤1 ”j ( 图1 4 b ) ，他们采用汽相 沉积技术( m c v d ) ，把s i 和s i 0 2 按设计好的厚度一层层沉积到石英光纤上。同 年，丹麦的c r y s t a lf i b e ra s 又利用硅和空气制成了一种新的b r a g g 光纤1 3 6 1 ( 图 1 4 c ) 。这种b r a g g 光纤纤芯是空气，包层由三层硅空气环组成。其结构参数为空 气层的厚度为2 3 u m ，空气层的厚度为2 3 u m ，硅层的厚度从里层到外层依次为 0 1 4 u m ，0 2 0 u r n ，0 2 3 u m 。各层之间有很细的“硅桥”来连接，其厚度为4 5 n m 。 6 j e 立銮逼厶堂亟坐位j 金塞 ，。绪论 ( c ) 图1 4b r a g g 光纤电子显微图 制备传统光纤的方法包括两个主要步骤：制作预制棒和在光纤拉丝塔上拉制 光纤。对于b r a g g 光纤的制备，其基本制作过程同样也可以大致分为类似的两个步 骤，即预制棒的制备和拉丝过程。b r a g g 光纤的制备大致有以下几种： ( 1 ) 堆积澍刈 首先制造出高纯的石英玻璃芯棒和高纯石英玻璃管，再将其拉制成2 3 r a n 的 高纯毛细管与高纯芯棒。然后按照预先设定的点阵结构聚合成束，在微结构光纤 定型平台上加工成。在2 1 0 0 。c 的高温下，精确控制毛细管内外压力，将微结构光 纤预制棒拉制成所设计芯径要求的微结构光纤。此种方法在1 9 9 6 年第一次被b i r k s 等人提出。 ( 2 ) 挤压或铸造鲫 由于聚合物具有低得多的拉丝温度，并且聚合过程的可控性使制作聚合物预 制棒的方法变得多种多样。除了堆积毛细管的方法外，聚合物预制棒可以使用如 下方法制作：挤压或者铸造。由于这些工艺已经成熟，因此可以直接得到不同结 构的预制棒。然后在拉丝塔中拉丝得到满足结构设计的微结构光纤。有文献【3 8 l 报 道采用s f 6 商用玻璃通过挤压法制备微结构光纤。 ( 3 ) 溅射法1 3 5 】 溅射法是将含s j 和s i 0 2 的多层薄膜沉积到石英光纤上，这种方法是近两年出 现的制备各种p b g 光纤( 包括b r a g g 光纤) 的新技术。 1 3 3 b r a g g 光纤的应用展望 b r a g g 光纤由于其新颖的传输特性，因而可以在很多领域得到应用： ( 1 ) 空芯传能b r a g g 光纤对于空芯b r a g g 光纤，光能量主要在空芯中传播， 当光被耦合进入空芯波导光纤中时没有菲涅耳反射，这种光纤可以作为高效率光 7 耦合器件。另外，和传统光纤的全内反射原理不同，这种光纤允许出现大于直角 的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以在光系 统中极大地降低弯曲损耗，提高弯曲状态下的传光( 能量) 效率，有可能用来制 作肿瘤切割和内窥镜等医疗器件。 ( 2 ) 研究物质的非线性通过改变光纤结构和几何构成可以有效地增强和控 制光纤中非线性光学过程，这种方法对于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散 射是极其有用的。由于b r a g g 光纤具有极强的非线性效应，它在超连续谱产生与 制作参量放大器、光纤激光器、光纤光栅、光开关等光纤器件方面正引起极大的 关注，并且有可能对非线性光纤光学的发展起推动作用，利用超连续谱原理制作 新的高分辨率激光源能促进生物医学层析成像技术的发展。 ( 3 ) 研制光电子器件b r a g g 光纤可以允许传导传统光纤中不可能传导的波 长范围和功率水平，它不仅导致对于受激拉曼、布罩渊的临界功率的极大极大增 加，而且可以极大地推动各个波段上其它相关电子起降的发展，如激光光源、光 放大器、高效率低损耗的光通信连接器和耦合器件，对于进一步实现真正的全光 通信展示了广阔的应用前景。 ( 4 ) 光纤传感及粒子引导如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率液 体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在传感及检测、利用非 线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的 用途。 1 4本论文主要工作 本论文首先简要介绍了微结构光纤，重点介绍了b r a g g 光纤的基本概念及其 发展背景，分析了b r a g g 光纤的研究现状，包括b r a g g 光纤的理论研究方法，b r a g g 光纤的制造工艺和b r a g g 光纤的应用前景。 本论文主要针对b r a g g 光纤的能带结构和传输特性进行一些研究，并对结构 设计提出了一些看法，主要包括下面三部分： ( 1 ) 首先介绍了光子晶体能带理论、光子晶体光纤的导光机理制和平面波法。 平面波法是本文使用到的分析b r a g g 光纤能带结构的理论算法，b r a g g 光纤可以视 为一维光子晶体，平面波法的基本思想是将光子晶体光纤的包层看作理想的扩展 到无穷远处的光子晶体，采用布洛赫理论将介电常数与电磁场用平面波展开，将 波动方程简化为一个矩阵本征值方程，求解后可以得到光子晶体能带。同时，对 另一种新型光子晶体光纤一一圆形光子晶体光纤( c p c f , c i r c u l a rp h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ) 的能带结构使用一维近似，利用一维的方法计算二维的光予晶体，大大简 8 少了计算量。 ( 2 ) 介绍了全矢量超格子模型及其应用于b r a g g 光纤得到的一些分析结果， 包括模式特性、损耗特性、色散特性和非线性效应。 ( 3 ) 介绍了目前国际上b r a g g 光纤的研制成果，对制作b r a g g 光纤的材料 作了分析，并设计了两组材料的b r a g g 光纤。同时，对b r a g g 光纤的制作工艺问题， 尤其是预制棒拉制过程中受到的影响作了分析。 1 2 3 4 5 6 7 】 8 】 9 n 0 1 l 】 1 2 3 参考文献 r f c r e g a n ，b j m a n g a n ，j c k n i g h t ，t | lb i r k s ，p s j r u s s e l l ，a n d p j r o b e r t s ，s i n g l e - m o d ep h o t o n i cb a n dg a pg u i d a n c eo fi i g b ti na i r j ， s c i e n c e ，1 9 9 9 ，v 0 1 2 8 5 ：1 5 3 7 1 5 3 9 p y e h ，a y a r i v ，a n de m a r o m ，t h e o r yo fb r a g gf i b e r j ，o p t s o c a m ，1 9 7 8 ， v 0 1 6 8 ：1 1 9 6 - 1 2 0 1 e y a b l o n o v i t c h ，i n h i b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d s t a t ep h y s i c sa n d e l e c t r o n i c s j ，p h y s r e v l e t t ，1 9 8 7 ，5 8 ：2 0 5 9 - 2 0 6 1 s j o h n ，s t r o n gl o c a li z a t i o no fp h o t o n si nc e r t a i nd i s o r d e r e dd i e l e c t r i c s u p e r l a t t i c e s j 】，p h y s r e v l e t t ，1 9 8 7 ，5 8 ：2 4 8 6 2 4 8 9 p s t j r u s s e l l ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s j ，s c i e n c e ，2 0 0 3 ，2 9 9 ( 1 ) ：3 5 8 3 6 2 p s t j r u s s e l l 。e ta 1 r e c e n tp r o g r e s si np h o t o n i c sc r y s t a lf i b e r s c ，p r o c ， o i c 2 0 0 0 3 ：9 8 1 0 0 。 j c k n i g h t ，t a b i r k s ，p s t j r u s s e l la n dd - m a t k i n ，a l l s i l i c a s i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e rw i t hp h o t o n i c sc r y s t a l sc l a d d i n g j 】，o p t l e t t 。 1 9 9 6 2 1 ：1 5 4 7 s b a r k o u d i s p e r s i o np r o p e r t i e so fp h o t o n i cb a n d g a pg u i d i n gf i b e r s c ， 0 f c l 9 9 9 ，s a nd i e g o ，c a l i f o r n i a , u s a ：1 9 9 9 t l b i r k s ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nu s i n gs i n g l e - m a t e r i a lf i b e r s j ，i 眦 p h o t o n t e c h n 0 1 l e t t 。1 9 9 9 ，1 1 ( 6 ) ：6 7 4 - 6 7 6 t a b i r k s ，e n d l e s s l ys i n g l e - m o d ep h o t o n i cc r y s t a lf i b r e j ，o p t l e t t ，1 9 9 7 ， 2 2 ( 1 3 ) ：9 6 1 - 9 6 3 n n i s h i z a w a , y i t o , g o t ot 0 7 80 9 0m i c r o nw a v e l e n g t h - t u n a b l ef e m t o s e c o n d s o l i t o np u l s eg e n e r a t i o nu s i n gp h o t o n i cc r y s t a lf i b r ec j ，i e e ep h o t o n i ct e c h l e t t ，2 0 0 2 ，1 4 ( 7 ) ：9 8 6 _ 9 8 8 f e r r a n d o ，d e s i g n i n gap h o t o n i cc r y s t a lf i b e rw i t hf l a t t e n e dc h r o m a t i c 9 j 壅銮通厶堂亟堂焦j 金奎缝j 垒 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 1 2 2 2 3 2 4 d i s p e r s i o n j ，e l e c t l e t t ，1 9 9 9 ，8 6 ：3 2 5 3 2 7 j ，c k i n g h t ，j a r r i a g a ，t a b i r k s ，e tu 1 ，a n o m a l o u sd i s p e r s i o ni np h o t o n i c c r y s t a lf i b e r j ，i e e ep h o t o n i c st e c h l e t t ，2 0 0 0 ，1 2 ：8 0 7 8 0 9 j - e s h a r p i n g , m f i o r e n t i n o ，p k u m a r ，e ta 1 ，a l l o p t i c a ls w i t h i n gb a s ei n c r o s s - p h a s em o d u l a t i o ni nm i c r o s t r u c t u r ef i b e r j ，i e e ep h o t o n i ct e c h ，l e t t 。 2 0 0 2 。1 4 ( 3 ) ：4 2 0 4 2 0 j e s h a r p i n g , _ lf i o r e n t i n o ，p k a m a r ，e ta 1 ，o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r b a s e do n f o u r - w a v e m i x i n g i n m i c r o s t r u c t u r e f i b r e j ，o p t l e t t ，2 0 0 2 ，2 7 ( 1 9 ) ： 1 6 7 5 1 6 7 7 i 6 c o r m a c k ，d t r e i d ，飘j w a d s w o r t h ，e ta 1 ，o b s e r v a t i o no f s o l i t o n s e l f - f r e q u e n c ys h i f ti np h o t o n i cc r y s t a lf i b r e j ，e l e c t l e t t ，2 0 0 2 ， 3 8 ( 4 ) ：1 6 7 1 6 9 d t r e i d ，i g c o r m a c k ，玑j w a d s w o r t h ，e ta 1 ，s o l i t o ns e l f f r e q u e n c ys h i f t e f f e c t si np h o t o n i cc r y s t a lf i b r e j ，j m o do p t ，2 0 0 2 ，4 9 ( 5 6 ) ：7 5 7 7 6 7 t s o r e n s e l l ，j b r o e n g ，a b j a r k e v ，e ta 1 ，s p e c t r a lm a c r o - b e n d i n gl o s s c o n s i d e r a t i o n sf o r p h o t o n i c c r y s t a l f i b r e s j ， i e e e p r o c e e d i n g s o p t o e l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ，1 4 9 ：2 0 6 m i b a n e s c u ，y f i n k ，s f a n ，el t h o m a s ，j d j o a n n o p o u l o s ，a na l l d i e l e c t r i c c o a x i a lw a v e g u i d e 【j ，s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 9 ：4 1 5 - 4 1 9 y f i l l l c ，d j r i p i n ，s f a n ，cc h e n ，j d j o a n n o p o u l o s ，e l t h a m a s ，g u i d i n g o p t i c a li na i ru s i n ga na l l d i e l e c t r i cs t r u c t u r e j ，l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，1 9 9 9 ， 1 7 ：2 0 3 9 - 2 0 4 1 s d h a r t ，g r m a s k a l y ，b t e m e l k u r a n ，nh p r i d e a n x ，j d j o a n n o p o u l o s ， y f i n l 【，e x t e r n a lr e f l e c t i o nf r o mo m n i d i r e c t i o n a ld i e l e c t r i cm i r r o rf i b e r s j ， s c i e n c e ，2 0 0 2 ，2 9 6 ：5 1 0 - 5 1 3 r 6 b i n ，- z h i ，l s q i n ，j s s h e n g , r o d ec l a s s i f i c a t i o na n dd e g e n e r