（通信与信息系统专业论文）光子晶体光纤特性分析及其在光滤波器中的应用.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n j i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d y o nch a r a c t e r i s t i c so fp h o t o n i c c r y s t a lf i b e r sa n di t sa p p l i ca t i o ni n o p t i c a l f i l t e r b y z h u y i n g s u p e r v i s o r p r o f m ax i u r o n g j a n 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 粜较 签字日期：加归年乡月l 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瓶 签字i i 期：加l o 年今月u o 日 导师签名： 马秀棠 签字日期：加c j 。年乡月j 口日 摘要 本文利用全矢量有限单元法研究了光子晶体光纤的高双折射和色散特性，分析了光 子晶体光纤在不同空气孔形状、大小和间距情况下双折射性和色散特性的变化。在此基 础上设计了一种双折射值与工作波长近似成平方关系的p c f ，利用该p c f 实现了一种 具有一致信道间隔的s a g n a c 干涉仪型光滤波器。 本文的具体工作内容如下： 第一，采用全矢量有限单元法对内包层引入两层椭圆空气孔三角形栅格结构高双折 射光子晶体光纤的相双折射，群双折射以及色散特性进行了数值模拟。模拟结果表明其 在1 5 5 0 n m 附近可以获得1 0 0 数量级的相双折射和趋近于0 的群双折射，并且在通信窗 口1 5 5 0 n m 附近可以获得带宽超过4 0 0 n m 的平坦色散区域。 第二，采用全矢量有限单元法对纤芯附近引入两个小圆空气孔三角形栅格结构高双 折射光子晶体光纤的相双折射和色散特性进行了数值模拟。模拟结果表明其在长波长范 围内具有1 0 3 量级的相双折射，在此基础上，对不同结构参数的该结构光子晶体光纤的 相双折射随工作波长的变化曲线进行了二次拟合，得到了二次拟合特性最优的光子晶体 光纤结构参数。其二次项系数比一次方项系数的绝对值高了7 个数量级，可以近似认为 相双折射值与波长成平方关系；并且通过优化该光纤的结构参数，可以设计出宽带超过 7 8 0 n m 的近零平坦色散光子晶体光纤，其色散系数的绝对值变化i a d i _ - l 2 5 p s k m n m 。 第三，采用全矢量有限单元法对纤芯附近引入四个小圆空气孔椭圆空气孔包层结构 高双折射光子晶体光纤的相双折射和群双折射特性进行了数值模拟，模拟结果表明这种 光子晶体光纤的双折射是由纤芯附近引入四个小圆空气孔和椭圆空气孔包层这两种不 对称因素共同作用的结果；接着，把该光纤包层中最内层的空气孔的位置分别向里和向 外移动了5 a ，并对空气孔位置波动后的模型进行了数值仿真，根据仿真结果可以推 得在制作过程中不可避免的空气孔位置波动不会影响该光纤的双折射特性。 第四，介绍了一种具有一致信道间隔的s a g n a c 干涉仪型光滤波器的设计方法，该 滤波器是通过设计光子晶体光纤的相双折射使其与工作波长成平方关系来实现的。我们 对所设计的s a g n a c 干涉仪型光滤波器的信道间隔进行了数值模拟。模拟结果表明，由 我们所设计的高双折射光子晶体光纤构成的光滤波器信道间隔变化了仅0 0 3 n m ，比普通 双折射光纤构成的光滤波器信道间隔变化小了约一个数量级，基本上实现了具有一致信 道i 、h j 隔的s a g n a c 干涉仪型光滤波器。 关键词：光子晶体光纤全矢量有限元法双折射光滤波器 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w eu s eaf u l l v e c t o rf i n i t e - e l e m e n tm e t h o dt o t h e o r e t i c a l l ys t u d y b i r e f r i n g e n c ea n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , a n da n a l y s et h e c h a n g eo fb i r e f r i n g e n e ea n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o nw i t ht h eh o l ep i t c ha n dh o l es h a p e w i t l l t h i s ，w ed e s i g nap c fw i t hb i r e f r i n g e n c ea p p r o x i m a t i v e l ys q u a r et ot h eo p e r a t i o nw a v e l e n g t h a n dt h e nb u i l du pa e q u a lc h a n n e ls p a c i n gs a g n a cf i l t e rb a s e do nt h i sp c f t h ed e t a i l sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： f i r s t ，ak i n do fh i b ip c fw i t hi n c l a d d i n ge l l i p t i c a lh o l ei sp r o p o s e d t h ep h a s e b i r e f r i n g e n c e ，g r o u pb i r e f r i n g e n c ea n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ci ns u c hap c fa r e s t u d i e du s i n gaf u l l v e c t o rf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d n u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a ti t sp h a s e b i r e f r i n g e n c ew i t hm a g n i t u d eo fo r d e ro f10 a n dt h en e g l i g i b l eg r o u pb i r e f r i n g e n c em e a l 15 5 0 n mc a nb er e a l i z e d m o r e o v e r , ah i 曲p h a s eb i r e f r i n g e n c ea n dl o wg r o u pb i r e f r i n g e n c e p c fw i t hm o r et h a n4 0 0 n t of l a t t e n e d d i s p e r s i o nb a n d w i d t hi n t h e n e a r15 5 0 n m c o m m u n i c a t i o n sw i n d o wi sn u m e r i c a l l yd e m o n s t r a t e d s e c o n d ，p h a s eb i r e f r i n g e n c ea n dc h r o m a t i cd i s p e r s i o no fh i g hb i r e f r i n g e n tp h o t o n i e c r y s t a lf i b e rw i t hi n t r o d u c i n gf o u rs m a l la i rh o l e sn e a rt h ec o r ei n t ot h ec l a d d i n gi s i n v e s t i g a t e db yu s i n gaf u l lv e c t o rf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d n u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a ti t s p h a s eb i r e f r i n g e n c ec a nb eo fm a g n i t u d eo fo r d e ro f10 一a tl o n gw a v e l e n g t hs p a n b a s eo n w h i c h ，w ef i tt h ec u r v e so fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sp c f sb i r e f r i n g e n c ea saf u n c t i o no f w a v e l e n g t hu s i n gq u a d r a t i cp o l y n o m i a l ，i no r d e rt of i n d t h eb e s ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r si n q u a d r a t i cp o l y n o m i a l w ef i n a l l ya q u i r et h ep c f , t h ea b s o l u t ev a l u eo ff i r s t - o r d e rt e r mo f q u a d r a t i cp o l y n o m i a li ss m a l l e rt h a nt h es e c o n d o r d e rt e r mb yas e v e n o r d e ro fm a g n i t u d e ， w h i c hi n d i c a t e st h a t d e s i g n e d p c fw i t h b i r e f r i n g e n c ea p p r o x i m a t i v e l ys q u a r e t ot h e w a v e l e n g t h ；m o r e o v e r , b yo p t i m i z i n gi t ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，ap c fw i t hn e a rz e r oa n d b r o a d - b a n df l a td i s p e r s i o no v e r7 8 0n mw a v e l e n g t hr a n g ec a nb ed e s i g n e d ，o fw h i c ht h e a b s o l u t ev a l u eo ft h ed i s p e r s i o nc o e f f i c i e n tc h a n g ei a d i - q ：2 5 p s k m n m t h i r d ，p h a s eb i r e f r i n g e n c ea n dg r o u pb i r e f r i n g e n c eo fe l l i p t i c a l h o l ec l a d d i n gp c fw i t h i n t r o d u c i n g f o u rs m a l la i rh o l e sn e a rt h ec o r ei s i n v e s t i g a t e db yu s i n gaf u l l v e c t o r f i n i t e - e l e m e n tm e t h o d n u m e r i c a lr e s u l ts h o w st h a tt h eb i r e f r i n g e n c eo ft h i sp c fi si n d u c e d b yf a c t o r so fe l l i p t i c a la i rh o l ec l a d d i n ga n di n t r o d u c i n gf o u rs m a l la i rh o l e sn e a rt h ec o r e t o g e t h e r ；f o l l o w i n g , w em o v et h el o c a t i o no ft h ei n n e r m o s tc l a d d i n ga i rh o l e st ot h ei n s i d e a n do u t s i d eb y5 人，a n dm a k ean u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h em o d e la f t e rl o c a t i o nf l u c t u a t i o n o ft h ea i rh o l e b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a nd e d u c et h a tt h et h ei n e v i t a b l el o c a t i o n f l u c t u a t i o no ft h ea i rh o l ei nt h et h ep r o d u c t i o np r o c e s sw i l ln o ta f f e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef i b e rb i r e f r i n g e n c e f o u r t h ，t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o dt od e s i g nao p t i c a lf i l t e rb a s e do ns a g n a c i n t e f f e r o m e t c rw i t he q u a lc h a n n e ls p a c i n g t h ef i l t e ri sa c h i e v e db yd e s i g r m i n gap h o t o n i c c r y s t a lf i b e rw h i c hp h a s eb i r e f r i n g e n c ei ss q u a r et ow a v e l e n g t h w eh a v em a d ean u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h es a g n a cf i l t e r t h ec h a n n e ls p a c i n go ft h ep r o p o s e df i l t e ro n l yc h a n g e sb y 0 0 3 n m ，a b o u to n eo r d e ro fm a g n i t u d el e s st h a nt h o s ec o n s t r u c t e dw i t hc o n v e n t i o n a lh i g h b i r e f r i n g e n tf i b e r s ( h b f s ) ，b a s i c a l l yr e a l i z e dt h ee q u a lc h a n n e ls p a c i n gs a g n a cf i l t e r k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，f u l l - v e c t o rf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，b i r e f r i n g e n c e ， o p t i c a lf i l t e r 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光子晶体光纤概述1 1 2 1 光子晶体光纤的概念1 1 2 2 光子晶体光纤的高双折射特性2 1 2 3 光子晶体光纤的色散特性2 1 2 4 光子晶体光纤的研究现状3 1 2 5 光子晶体光纤的制备3 1 3 光子晶体光纤的应用5 1 4 本论文的主要研究内容及创新点6 第二章光子晶体光纤的数值分析方法8 2 1 数值分析方法概述8 2 1 1 全矢量有效折射率法8 2 1 2 平面波展开法9 2 1 3 多极法9 2 1 4 局部函数法，9 2 1 5 光束传播法9 2 1 6 有限差分法1 0 2 1 7 有限单元法1 0 2 1 8 其它方法1 l 2 2 有限元分析方法l l 2 2 1 有限元分析方法的原理l l 2 2 2 有限元方法的求解步骤1 2 2 2 3 有限元法的边界条件1 6 2 2 4 有限元软件介绍1 6 2 3 本章小结2 0 第三章高双折射光子晶体光纤的特性研究2 1 3 1 研究背景2 l 3 2 参数定义2 3 3 3 高双折射光子晶体光纤的研究2 4 3 3 1 内包层椭圆空气孔高双折射光子晶体光纤的研究2 4 3 3 2 纤芯附近引入四个小圆空气孔高双折射光子晶体光纤的研究2 8 3 3 3 纤芯附近引入四个小圆空气孔的椭圆空气孔包层高双折射光子晶体 光纤的研究3 4 3 4 本章小结3 7 第四章具有一致信道间隔的s a g n a c 干涉仪型光滤波器设计3 9 4 1 研究背景3 9 4 2 具有一致信道间隔的s a g n a c 干涉仪型光滤波器研究4 0 4 2 1 设计原理4 0 4 2 2 光子晶体光纤双折射随波长的变化规律研究4 l 4 2 3s a g n a c 干涉仪型光滤波器信道间隔的数值模拟4 2 4 3 本章小结4 3 总结与展望4 4 参考文献4 6 发表论文和科研情况说明5 2 致谢5 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤作为光纤通信的基本要素之一，其性能的好坏将直接影响到光纤通信网络的质 量。随着新技术的不断出现，要求光纤不仅能够作为光信号的传输媒介，还能作为光器 件的载体，实现光信号的控制和转换。显然，普通光纤难以实现如此丰富的功能，因而 许多特种光纤应运而生，例如高非线性光纤【i 】、保偏光纤【2 1 、色散平坦光纤【3 】和色散位 移光纤【4 1 等等。这些光纤可以提高传输中的非线性效应，补偿通信网络中的偏振和色散 效应，实现耦合和滤波等功能。 1 9 9 6 年，英国b a t h 大学r j r u s s e l l 小组的j c k n i g h t 等人首次拉制出了具有光子 晶体包层结构的光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p c f ) ，他是一种新型的特种光纤， 它的出现引起了人们的极大关注，成为当前国际研究的一个热点。目前，光子晶体光纤 的研究主要涉及以下几个方面的内容：光子晶体光纤的拉制工艺和材料的研究；光子晶 体光纤的原理的进一步研究：光子晶体光纤双折射特性、色散特性、非线性特性的研究 和应用；光子晶体光纤器件的研究：光子晶体光纤在传输系统、量子光学、激光、传感、 光学光栅等领域的应用研究。随着制作技术的不断改进和提高，目前已经能够制备出多 种结构的光子晶体光纤，并且光的传输损耗也逐渐接近于传统的光纤。在长距离通信领 域中，由于价格、损耗等原因，p c f 尚不能完全取代普通光纤，但p c f 以其独特的传 导机制和传统光纤无法比拟的光学特性【5 j 必将成为下一代光通信器件的重要组成部分。 随着p c f 理论分析方法的不断成熟，以及光纤制造工艺的同益完善，人们对p c f 的关 注点正逐步向应用方向转移。本章将依次介绍光予晶体光纤的概念、特性、制备方法及 其应用领域。 1 2 光子晶体光纤概述 1 2 1 光子晶体光纤的概念 光子晶体光纤【6 】的概念最早是在1 9 9 2 年由p s t j r u s s e l l 等人提出的。由于它具 有许多其他普通光纤无法比拟的光学特性，在之后的几年罩取得了迅速发展，成为光纤 光学研究领域的研究热点。与普通光纤相比，p c f 的包层是沿轴向由周期性排列于其中 的均匀空气孔和未掺杂的二氧化硅构成的，可以看作是一种纵向线缺陷并具有横向周期 性结构的二维光子晶体，所以光子晶体光纤通常也被称为微结构光纤( m o f ) 或多孔光纤 ( h f ) 。 根据不同的导光机制可将光子晶体光纤分为两类：一类称为全内反射型光子晶体光 第一章绪论 纤【7 1 ，另一类称为光子带隙型光子晶体光纤【8 】。初期的p c f 主要是基于第一种类型全内 反射型光子晶体光纤制作的，它的导光机制与传统光纤非常近似，这种类型的光纤对空 气孔的排列有非常严格的限制，而且要有较大的空气孔；而光子带隙型光子晶体光纤的 导光机制则与传统的光纤截然不同，它主要依托包层的布拉格衍射效应来对在纤芯中传 播的光波进行限制。当光射入到包层和纤芯的分界面上时会受到空气孔的强烈散射影 响，对某种特定入射角和波长的光波，这种散射作用将光波发生干涉从而使光线返回纤 芯中，即在满足靠拉格衍射条件的同时产生光子带隙效应，相应波长的光波将无法在包 层中传播，而只能被限制在纤芯中。这种带隙型光子晶体光纤对空气孔的排列顺序与大 小没有严格的限制。值得关注的是，如果选择合适的包层品格结构，纤芯具有较高的折 射率，并且包层中的空气孔较大时，可以认为光子带隙型和全内反射型导光机制同时存 于p c f 中。由于光子晶体光纤空气孔的大小和排列的周期性可以有较大的控制空间，因 此能够根据应用的需要灵活设计光子晶体光纤的结构，进而得到更加理想的光传输特 性。 光子晶体光纤由于其包层的结构比较特殊而使得它具有许多传统光纤所不具备的 光学特性，如奇异的非线性效应【9 1 、无截止单模10 1 、高双折射特性【l l 】、色散可控性【1 2 】、 可以实现真空导光以及超大模场面积等。这些光学特性突破了传统光纤的局限，使光子 晶体光纤的应用空间得到了极大扩展。 1 2 2 光子晶体光纤的高双折射特性 保偏光纤是一种对平面偏振光具有偏振方向保持能力的光纤，主要应用于光纤陀螺 【1 3 】、光纤激光器【1 4 】、光纤传感【1 5 】以及d w d m 等光纤通讯领域。通常可以通过两种方法 来实现高双折射：其一是将应力区引入到光纤中，在弹光效应的作用下，光纤材料的基 底将产生各向异性的折射率【1 6 - 1 。7 】其二是引入几何形状不对称的纤芯或包层【博也u j ，从而 实现高双折射。普通保偏光纤相双折射一般保持在1 0 。5 至1 0 4 数量级之间。 在光纤的制造过程中使光纤的结构产生不对称性，并在其内部保留残余应力是产生 双折射的主要方法，在实际工作环境中，光纤受到的各种外场作用和机械应力的影响也 会导致双折射的发生。因此，对保偏光纤的高双折射特性的研究关键就在于如何设计出 这种不均匀的几何结构。对于全内反射型光子晶体光纤来说，空气柱周期性地排列在光 纤的包层中，使其等效折射率要比芯区低很多，并且在设计过程中可以考虑采用非对称 性的光纤结构，就可以很容易地将光子晶体光纤制作成比传统保偏光纤高出几个数量级 的高双折射型光子晶体光纤。而且随着波长的增加，双折射效应也变得越来越强，即使 光纤在使用过程中发生变形或弯曲，也能保证传输光束的偏振态。目前光子晶体光纤高 双折射率的实现方法有，在包层中采用两种不同尺寸的空气孔1 2 ，压缩空气孔栅格间距 【2 2 1 ，包层中引入椭圆形空气孔【2 3 】以及引入非对称的纤芯【2 4 彩】等。光子晶体光纤的高双折 射特性是本文的研究内容重点，我们将在后面做更加细致的介绍。 1 2 3 光子晶体光纤的色散特性 在光通信系统中，光纤的色散效应是影响光纤传输质量和传输距离的关键因素之 第一章绪论 一，因此合理地控制光纤的色散效应对于线性、非线性领域的光通系统以及光孤子的传 播都有非常重要的意义。所谓的光纤色散效应，就是光脉冲在光纤中传输的时候由于受 到光纤的模式分布、折射率分布以及材料色散等的影响而产生的一种延迟畸变，从而使 得输出的光脉冲波形发生展宽的效应。究其根本原因，其实就是不同的偏振模式和频率 分量具有不同的群时延差和群速度。传统的光纤色散主要分为模式色散、材料色散、波 导色散以及偏振模色散。 l 、模式色散( 又称模间色散) ：是由于不同模式到达光纤的终端的时间不同而产生 的脉冲展宽，它只存在于多模光纤之中。 2 、材料色散：由于光纤中传输的光脉冲具有不同波长，从而导致材料的折射率不 同，折射率越低，传播速度越快，最终引起脉冲展宽。 3 、波导色散( 又称结构色散) ：由于光纤的纤芯与包层的有效折射率差很小，所以 光在通过它们的交界面处会发生全内反射，被限制在纤芯中传输。但是由于制作工艺的 限制，光纤的横截面尺寸会有微小的波动，从而导致一部分高频光进入包层中传输。由 于包层的折射率较低，传播速度块，导致光到达终点的时间不同，从而引起脉冲展宽。 4 、偏振模色散：它起因于光纤的双折射效应，在普通单模光纤中，只能传输一种 基模的光，基模是指由x 和y 两个相互正交偏振方向上的模场组成的模式。如果在单模 光纤中存在微弯力、不圆度、应力等，两个正交偏振方向就会出现相位差，从而合成一 个瞬时幅度和方向都会随着时间变化的非线性偏振光场，即x 和y 两个偏振方向的有效 折射率不同，折射率不同传播速度也就不同，最终导致偏振色散的产生。 光子晶体光纤的出现为解决光纤色散效应提供了一个新的思路，与传统光纤的结构 不同。p c f 是一种晶格常数为光波长量级的带有缺陷的二维光子晶体，即由规则地沿轴 向排列着空气孔的石英光纤阵列构成光纤的包层。而光纤的芯是由一个破坏了包层结构 周期性的缺陷构成p c f 这种特殊而且可以灵活设计的几何结构使它具备了很多传统的 单模光纤所不具备的奇异的色散特性【2 6 1 ，如可控的色散特性、近零超平坦色散、高负色 散以及短波段反常色散等。 光子晶体光纤的色散包括材料色散和波导色散，由于材料色散仅与材料有关，而光 子晶体光纤又是单一材料制成的，材料色散基本上保持不变，因此其总色散是由光纤的 波导色散决定的。波导色散与光纤的几何结构密切相关，所以光子晶体光纤的色散有很 高的可控性，通过合理设计它的几何结构，如空气孔孔径，孔间距等，就能得到理想的 色散特性。 目前，不同色散特性的光子晶体光纤已经被大量研制出来，如近零超平坦色散、零 色散点位于可见光域、具有大的负色散的光子晶体光纤，这些具有独特色散特性的光子 晶体光纤已经被广泛应用在孤子激光器，孤子的产生和传播，超短脉冲压缩和参量放大 器等非线性光纤光学领域中。 1 2 4 光子晶体光纤的研究现状 光子晶体光纤属于新兴的研究领域，j c k n i g h t 博士等人1 9 9 6 年成功研制出了世界 上第一根p c f 3 1 1 。此后，光子晶体光纤凭借其奇异的光学特性，引起全世界学者的广泛 第一章绪论 关注，取得了异常迅速的发展。 1 9 9 6 年是光子晶体光纤发展史上的元年，伴随着第一根折射率传导型光子晶体光 纤的诞生而被载入史册。 1 9 9 7 年，t a b i r k s 等人发现这种光纤具有无截止单模传输特性【3 2 】。 1 9 9 8 年，r u s s e l l 小组的j c k n i g h t 等人成功拉制出了第一根光子带隙传导型光子 晶体光纤【3 3 1 ，该光纤采用蜂窝型包层结构，把光限制在具有较低折射率的纤芯中传导。 这一年，j c 鼬_ i g h t 等人首次报道了大模面积单模传导光子晶体光纤【3 4 】，该光纤的纤芯 直径约等于5 0 倍自由空间波长。 1 9 9 9 年，c r e g a n 等人成功拉制出单模空气传导型光子带隙光纤。在实际应用中， 这种光纤有很多种优势，比如：光可以更容易的耦合到纤芯，减小吸收损耗，降低非线 性的影响，并且更易于实现对气体的传感和检测。同年，t a b i r k s 等人发现了光子晶 体光纤在色散补偿特性方面的潜力，他们拉制出的光纤具有超过2 0 0 0 p s n m k m 的负色 散值【3 5 】。在单一波长上，该光子晶体光纤可以补偿超过它长度1 0 0 倍的普通光纤色散。 这一年，英国南安普顿大学的n gr b r o d e r i c k 等人发现光子晶体光纤易于实现小的 有效面积，从而可以大大提高其非线性效应【3 引。 2 0 0 0 年，a o r t i g o s a - b l a n c h 等人首次报道了高双折射光子晶体光纤【3 。7 1 。他们在包 层中采用不对称的空气孔排列方式，从而在1 5 4 0 n m 附近实现了l o 3 数量级的相双折 射，这比传统保偏光纤的相双折射值高出了1 个数量级。 2 0 0 1 年，南安普顿大学的k f u r u s a w a 等人成功拉制出了掺镱大模面积双包层光 子晶体光纤【3 8 】。他们利用这种光纤实现了单横模、连续波输出功率超过l w 的光纤激 光器。 2 0 0 2 年，b a t h 大学的wh r e e v e s 等人成功拉制出了具有近零超平坦色散特性 的光子晶体光纤【3 9 】。所拉制出的两根光纤的色散在1 2 4 0 n m 一1 4 4 0 n m 和1 0 0 0 n m 一1 6 0 0 n m 波长范围内分别被控制在。士o 6 p s n m k m 和0 a ：1 2 p s n m k m 。 2 0 0 3 年，南安普顿大学的x f e n g 等人首次拉制出了全固光子晶体光纤【4 0 1 。在 1 5 5 0 n m 处，该光纤的损耗为5 d b m ，非线性系数为2 3 0 w k m - 1 。在1 5 0 0 n m - 1 6 0 0 n m 波长范围内，它具有近零的群双折射。 2 0 0 4 年，n t t 实验室的h k u b o t a 等人拉制出了单偏振光子晶体光纤【4 。当波长 超过1 4 5 0 n m 时，光纤只传导单一偏振方向上的光，在1 5 5 0 n m 处，它有1 9 6 d b k m 的 偏振损耗和2 8 d b k m 的传输损耗。 2 0 0 6 年，澳大利亚悉尼大学的a a r g y r o s 等人使用聚合物材料拉制出了空气传导 光子带隙光纤【4 2 】。同年，这所大学的m v a ne i j k e l e n b o r g 等人又用聚合物材料成功拉 制出了矩形纤芯结构光子晶体光纤【4 3 1 。由于拉制工艺的不同，这种由聚合物材料拉制出 的光纤比传统的石英材料光纤具有更大的灵活性。 上述只是一些拉制出的具有代表性的光纤，由于技术原因，一些特殊光纤暂时还没 第一章绪论 有被拉制出来，但是随着拉制水平的不断提高，研究的不断深入，将来会出现更多更好 的光子晶体光纤。 1 2 5 光子晶体光纤的制备 光子晶体光纤的制备方法与传统石英光纤的制备方法有许多相似之处，但是也存在 较大的不同，一般可以分为以下几个步骤： 1 、结构设计与材料的选择。光子晶体光纤最早是由石英材料拉制而成的，随着拉 制水平和制备工艺的提高，光子晶体光纤的制作材料越来越多样。其中，采用硫化物， 聚合物，塑料，s f 5 7 、s f 6 和铋等玻璃材料，压碲酸盐，铝硅酸盐以及在红外波段应用 的材料制作的光子晶体光纤已有报道。 2 、预制棒的制备。根据需要制备的光子晶体光纤的种类，可以选择纯石英玻璃丝 或是石英玻璃管，也可以选择其它种类的具有芯层结构的光纤来制备预制棒。 3 、排列与捆绑。将拉预制棒按照设计要求排列成三角形或者六边形等分布方式， 用特殊的粘合剂把它们捆绑组合起来。如要制作高双折射光子晶体光纤，在拉制的过程 中还要考虑如何改变纤芯附近两个正交方向的有效折射率差。通常可以采用改变孔的形 状、大小、孔间距以及分布等方法，也可以采用在气孔中注入气体或是液体等方法。 4 、拉制光子晶体光纤。将排列捆绑好的预制棒送入拉丝塔中拉制，要通过控制拉 制参数，如：炉子的温度、预制棒进出炉子的速度和拉制的速度来最终确定光纤的形状， 因此相同的预制棒可以拉制出光学性质完全不同的光纤。可见，这一步是拉制光子晶体 光纤最为关键的一步，同时也是技术难度最大的一步。要想拉制出理想的光纤，既需要 有较精密的拉丝设备，也需要一定的经验。 5 、对拉制好的光子晶体光纤进行性能测试。 1 3 光子晶体光纤的应用 光子晶体光纤因其具有许多传统光纤所不具备的独特光学特性，有着广泛的应用。 其应用涉及到通信、航空、生物、军事、医药等科技领域。在光通信方面的应用涉及到 高双折射型陀螺仪、波长变换器、光开关和光放大器等。 1 高性能滤波器 使用具有带隙特征的光子晶体光纤可以大大改善对光波的滤波性能，实现更加优秀 的滤波特性。如果我们将缺陷念引入到光子晶体光纤中，可以形成一些光波容易通过的 缝隙，对于那些频率落在带隙内的光波，可以几乎没有损耗地全部通过。用这种方法， 我们可以研制出基于光子晶体光纤的超窄带滤波器，同时这也为今后的高精度光信息测 量仪的制作以及高密度波分复用技术的发展奠定了非常孥实的基础；另外，我们也可以 通过某些方法把光子晶体光纤的频带做的很宽，目前已经可以研制出几乎从近0 赫兹至 第一章绪论 红外频段滤波的高性能指标的光滤波器。 2 利用光子晶体光纤实现波长变换 b a t h 大学的p h i l i pr u s s e l l 等人提出了利用光子晶体光纤来实现光子波长变换，p h i l i p 指出如氢气一类的拉曼气体可以通过振动来吸收由二极管激发的光子，然后转变成为波 长较长的光子，再通过一些其他激发光子的帮助，这种经过转换的光子就可以产生出拉 曼效应，最后产生与第一个光子电场一致的光子。依此类推，所产生的光子继续制造其 它的光子并最终产生出新的光束；如果拉曼气体可以通过振动释放出光子，按照以上所 述的方法，就可以转变为波长较短的光束，从而实现了的波长变换。 3 光开关器件中的应用 现在的光通信技术越来越朝着密集波分复用方面的发展，从而导致同益复杂的网络 拓扑结构，这就需要更加可靠、灵活的网络管理方式。而光开关在光通信网中扮演着非 常重要的角色，它的性能直接影响着光通信网，因此对高性能光开关的研究具有非常重 要的意义。基于光子晶体光纤的光开关被称为非线性环境光开关( n l o m ) ，它是利用 光的克尔效应和s a g n a e 干涉仪相结合。输入光信号首先经过光耦合器，之后分成两路 沿着光纤环相向传输，然后使控制脉冲经过合波器也进入该环路，由于光纤具有非线性 效应，从而使得顺时针传播的光信号发生相移，导致两束光产生相位差，因此当它们再 次经过光耦合器时就会发生干涉，相干输出，最终实现光开关功能。需要注意的是，这 里所说的光纤必须是光子晶体光纤，而不能是普通单模光纤。因为采用普通单模光纤需 要好几千米长，非常不实用也不经济，而采用光子晶体光纤，则只需要几十米长，这样 可以实现光开关器件的实用化和小型化。 4 光传输中的应用 传统光纤要求光束沿着直线传播，因为在光纤的弯曲程度较大的情况下，光纤纤芯 与包层分界面上的全内反射条件将要遭到破坏，从而会形成折射或模式泄漏，导致很大 的弯曲损耗。光子带隙型光子晶体光纤的导光机理则完全不同于传统光纤，它是利用 p b g 效应导光，即使在光纤弯曲程度较大的情况下，只要光波的频率落在禁带范围以内， 它都能沿着弯曲的波导进行传播，因此，弯曲程度接近9 0 度的光子晶体光纤都是可以 导光的。 当需要在一根光纤中传输多个信道时，会采用波分复用技术。但是随着光功率增加， 会出现交叉相位调制和四波混频等一系列非线性效应，这个问题对于传统光纤来说较难 解决。而对于空气纤芯光子晶体光纤来说，由于p b g 效应，落在频率禁带范围以内的 光都不能在包层中传输，而只能在空气芯层中沿着光纤轴向传输。光纤的一系列非线性 效应是由于其介质材料的折射率随输入光功率变化所引起的，而光子晶体光纤的传输通 道是空气孔，它的非线性效应很小，几乎可以忽略不计。 1 4 本论文的主要研究内容及创新点 本文结合国家教育部重点项目“光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪的理论与应用研究” ( 2 0 6 0 0 6 ) 的任务和目标要求完成的，主要在以下几个方面进行了研究： 第一章绪论 1 、设计出同时具有高相双折射、低群双折射以及色散平坦光子晶体光纤，该光纤 采用内包层引入两层椭圆空气孔三角形栅格结构。利用全矢量有限单元法对提出的光子 晶体光纤的相双折射、群双折射和色散特性进行理论分析及数值模拟。模拟结果表明该 光纤在1 5 5 0 n m 附近具有：( 1 ) 高达2 5 x 1 0 弓的相双折射；( 2 ) 近似为0 的群双折射： ( 3 ) 带宽超过4 0 0 n m 的平坦色散区域。该光纤可以有效地降低色散对通信系统的影响。 该部分研究成果已在全国第1 4 次光纤通信暨第1 5 届集成光学学术会议( 0 f c l 0 2 0 0 9 ) 论文集上发表论文“一种高相双折射低群双折射色散平坦光子晶体光纤的设计”。 2 、设计出宽带超过7 8 0 n m 的近零平坦色散光子晶体光纤，该光纤采用芯附近引入 两个小圆空气孔三角形栅格结构。利用全矢量有限单元法对提出的光子晶体光纤的相双 折射和色散特性进行了数值模拟。模拟结果表明： ( 1 ) 该光纤在长波长范围内具有1 0 。3 量级的相双折射，在此基础上，对不同结构 参数的该结构光子晶体光纤的相双折射随工作波长的变化曲线进行了二次拟合，得到了 二次拟合特性最优的光子晶体光纤结构参数。其二次项系数比一次方项系数的绝对值高 了7 个数量级，可以近似认为其相双折射值和波长成平方关系； ( 2 ) 通过优化该光纤的结构参数，可以设计出宽带超过7 8 0 n m 的近零平坦色散光 子晶体光纤，其色散系数的绝对值变化i a d i ：a i 彬( p ) ， e = 1 , 2 ，m ( 2 - 5 ) 百 式中a ，为第f 个单元的系数，它的个数一般等于这个单元的结点数；p 为第p 个单元上 的任意一个结点，第p 个结点坐标的插值函数对应为弼纠，对应于具体的待分析问题， 形纠一般表示为普通的多项式，并且对于相同的待求解问题，各个单元对应的插值函数 都采用同一形式来表示。将第e 个单元上的k 个点p 的坐标分别代入式( 2 4 ) ，则可得 到各个结点的场函数： ：= ：= 七 ；= 口，彬( p 。) i = 1 式中，插值函数是已知的多项式，因此在将已知结点坐标p i 代入后，上式转化 为由系数a i 构成的线性方程组，则可以用其结点场函数；，；，；表示为： 口。= ec 。，巾； f = l k 口2 = c ：，； ( 2 7 ) i 2 1 七 口。= e c “； ，石2l 、，、， a 耽 ，t，l 彬 彬 研 研 第二章光子晶体光纤的数值分析方法 将式( 2 7 ) 带入式( 2 - 5 ) ，整理后可得将。用；，；，西：来表示的方程组： t ：k 吖卜k ，孵，孵】幸 ； ； ： ： ( 2 8 ) 上式称为第e 个单元上的基函数，也可称为单元形