（电磁场与微波技术专业论文）光子晶体光纤及相关通信光电子技术的理论与实验研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文奠要 光子晶体光纤及相关通信光电子技术的理论与实验研究 摘要 本论文的工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家的国家重 点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要 工艺创新与基础研究( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) ：教育部科学技术重大研究项 目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统 ( 项目编号：1 0 4 0 4 6 ) ，国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“单结构与多结构集成式光子晶体光纤及器件( 项 目编号：2 0 0 3 a a 3 1 1 0 1 0 ) 以及北京市教委共建项目( 项目编号：1 0 0 1 3 0 4 3 7 ) 。 光纤在通信系统、传感、医疗器械和各种光学器件等众多领域中具有重要 和广泛的应用。在过去的几年里，为了提高光纤在各种应用中的性能，人们积极 研制新型的光纤。光子晶体光纤( p h o t o l l i cc r y s t a lf 舭r ，简称p c f ) 的研制成功， 是光纤技术领域最新的进展之一，其研究受到了全世界众多研究人员极大的关 注。p c f 在中心处引入了缺陷作为芯区，而周围排列着许多沿光纤长度方向延伸 的空气孔，通过改变空气孔的尺寸和排列方式，可以灵活地控制光纤的传输特性。 光纤中微结构的使用使光纤多方面的物理性能得到了改善，并为光纤在各个领域 的应用打开了新局面。事实上，每个应用领域也是利用了p c f 由于微结构所赋 予的优良特性。p c f 为光电子器件的设计提供了新的平台，并展示了许多新的功 能。它在通信、非线性光学、传感和光纤器件等许多领域中有广阔的应用前景。 由于p c f 新颖的结构和具有常规阶跃光纤无法比拟的独特特性，p c f 在未来可 预见的时间里仍将是一个活跃的研究领域。本论文主要对p c f 及相关通信光电 子技术进行了理论和实验研究，主要研究内容和创新点如下： 1 建立了以各向异性完全匹配层( a p m l ) 为吸收边界条件的时域有限差 分法( f d t d ) p c f 计算模型，详细讨论了f d t d 差分表达式的推导和a p m l 技 术，并成功应用于p c f 的特性分析。 2 提出了改进的有效折射率方法( 1 e i m ) 用于精确分析p c f 。i e i m 由常规 的全矢量有效射率方法( e 讧) 发展而来，但比常规的全矢量e i m 方法具有更 高的计算精度。m i m 的计算结果无论是与其他方法获得的精确计算结果，还是 与先前文献报道的实验结果相比较都非常吻合，是分析p c f 一种有力工具 3 提出了利用具有小正常色散值的色散平坦p c f ，在通信波段产生宽带、 北京邮电大学博士学位论文 平坦超连续谱的方法。该类型p c f 的色散与波长成凸型函数关系，且没有色教 零点。采用数值模拟的方法，详细研究了光纤参量和泵浦条件对超连续谱产生的 影响。 4 设计了具有小正常色散值的色散平坦p c f 用于产生宽带、平坦的超连续 谱，并通过光谱滤波获得了多波长脉冲信道 5 结合光子晶体光纤和拉锥的优点，设计了一种锥型光子晶体光纤用于产 生宽带、平坦的超连续谱。该光纤具有平坦的色散特性，同时色散值沿光纤长度 方向逐渐减小，由正值减小到负值。理论研究结果表明，利用该类型的光纤和具 有几个皮秒宽度的泵浦脉冲，可以在通信窗口有效地产生平坦的超连续谱。 6 首次利用具有小正常色散值的非线性色散平坦p c f 和高重复率的皮秒泵 浦脉冲，在1 5 5 n m 波段产生了谱宽超过9 0 姗的平坦的超连续谱。该宽带、平 坦的超连续谱能同时提供波长间隔为1 0 g h z 、超过l 1 0 0 路的多波长载波信道 通过对光谱滤波，实验获得了速率为l o g b i 以的多波长脉冲序列。这样的超连续 谱源在d w d m 光通信系统、波长变换等方面都有重要的应用同时结合数值模 拟的方法进行了研究，模拟结果与实验结果非常一致。 7 提出了基于p c f 自相位调制效应的全光再生的方案，理论和实验上论证 了其可行性。利用p c f 和带宽滤波器，获得了近似阶跃状的功率传输函数和没 有发生形变的再生脉冲。该再生器对皮秒脉冲起到良好的再生作用，可用于高比 特率数据信号的再生。研究结果表明，具有正常色散的非线性p c f 适合于全光 2 r 再生。 8 提出了利用具有高非线性和大反常色散值的p c f 构成的非线性光纤环路 镜( p c f - n o l m ) 进行脉冲压缩和整形的方案。数值结果表明，该方案能高效地 压缩脉冲，并能显著抑止压缩脉冲的基座 9 与他人合作，利用p c f 实现了对l o g b i 以脉冲信号色散和色散斜率的同 时补偿。在c 波段的2 0 i 】m 的波长范围内，利用2 6 m 的p c f 补偿了2 k m 的标准 单模光纤的色散。研究结果还表明，该光纤可在从1 5 2 0 衄到1 5 7 0 i 】匝的5 0 啪 波长范围内对标准单模光纤的反常色散进行补偿，残余色散可控制在士o 3 p s 姗k m 1 之内。 l o 开展了基于p c f 中四波混频效应的全光波长变换的研究。与他人合作， 利用3 0 m 的色散平坦p c f 中的四波混频效应，实现了对1 0 g b i 讹光信号的全光 波长变换平均波长转换效率约为一1 9 5 d b 、幅度变化小于士1 舶、转换带宽达 2 ( 毗n 。 北京部电大学博士学位论文 关键词：光纤通信，光子晶体光纤，超连续谱，全光再生，脉冲压缩，波长 变换，色散补偿 m 北京邮电大学博士学位论文 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a is t u d yo fp h o t o n i cc r y s t a i f i b e r sa n dr e i a t e do p t o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi n ( ：o m m u n i c a t i o n s a b s t i 鼍c t t k 瞄w c h 帅r bo ft l i i sd i s s c r t a t i 玳s u p 州e db ym en a 虹o n a lb 疵 r e s e a r c hp r o g r a mo fc l l i m ( 9 7 3p r o j e c t ，g 砌t2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) ，t l l ef 0 硼d a l i o n6 ” m ek e yp r o g r a mo f m i n i 哪o f e d u c a t i o no f c l l i 越( g 砌t 1 0 4 0 4 6 ) ，m cn a t i o i l a l8 6 3 h i g i l h n o l o g yp r o j e c to fc h i i l a ( 2 0 0 3 a a 3 1 1 0 l o ) a n dt i l ef o u n d a t i o n 矗o mt l l e e d u c a t i o nc o 姗i s s i o no f b e 巧i n g ( g 瑚tx k l o o l 3 0 4 3 7 ) o p t i c a if i b e 璐h a 、，cn l 柚yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s ，p a n i c u l a d yi i lc o m m m l i c a t i s y s t 即峪，n s o r s ，i i l e d i c mi n s t m m e m a t i o n 缸dm a n yb r l d so f 删c a l 咖p ( m 即船 d u r i l l gm e 彤l s tf e wy e a r s ，ag a ld e a io fe f f o r th 器b e e nd e 州确甜t 0t h ed m l o l m l e m o f n e w t y p e s o f o p 廿c a l l i b e 瑙谢t l l t h e a i l n o f i i l l p r o 、，i n g t h ep c d o m l a n o f 矧) e 塔j l l l h e a p p l i c a t i o 璐p h o t o i i i c 叼删f i b e r 口c f ) i so o ft l m o s tr e c e n ta d v a n c 髂i n f i 妣p t i ct h i l o l o g yt i l 砒h 船a t t r a c t e dc o l l s i d e r a b l ei n t e r e s t 丘d mm 雒y 化a r c h e 培 盯o dm ew o f l d p c f sc o n s i s to f ac e 曲 a ld c f e c t 佗g i o ns u r r 0 d e db y 咖l t i p i ea i r h 0 1 e sm a tr u na l o n g 也ef i b e ri e n g t t l b yv 撕n gt l l es i z e 觚dp a t 咖o fm ea i rh o l e s ， t l l cm o d e 脚a g a t i o np r o p e r t i 部o ft i l ep c f sc a nb ec 鹅i i yc o 曲f o l l e d 1 1 l eu 辩o f m i c m s t 九l c 眦si no p t i c a lf i b e r sh a v eo p c l l e dn c wd e v e l 叩m e n t si nv a r i sa r e 蠲o f f i b c ra p p l i c a t i o l l s ，龇di ti s i m e r c s t i n gt l l a te a c ho ft l l e a r e 勰t i i a l l yt a k c s a d v a n t a g eo fd i f f c r c n ta s p e c t so f 也ee i l l l 锄c c dp h y s i c a lp 晌册柚c ee m l b i e db yt h e l o c a t i o no f n l i c r o 咖i c t l 哪i l lt 1 1 e 矗b 粥p c f sp r o “d ean o v e lw a v e g i l i d ep l a 仃。咖f o r p h o t o i l i cd e v i c e sa n dan 啪b e ro ff h n c t i o i l a i i t i e s 1 1 a v eb c c nd e m o i l s 打a t e d t h o 丘b e r ss h o wg r e a t p o t 锄a l f o r谢o u s 印p l i c a t i o 璐 i i lt h cf i c l d s o f 钯1 c c o m m l l n i 酬s ，姗l i n e 盯6 b c ro p t i c s ，s e n s o rt e c h n o l o g ya n dm a n yo t h 盯v d f i b c rd e “c 船b e c a u o f 酗r v e i 蛐m c t t l 坞蛆dl l l l i q u ep p 硎e st l l 越曲m 坩tb e 8 c h i e v c d 丘o mc o n v e 觚伽l a is 卸- i n d e xf i b e r s ，p c f sc o n t i 删et ob e 缸石v ca r 龃o f 髑e a r c hi nm e 白r e s a b l e 缸i l r e mt h i sd i s s e r 嘶o n ，p c f sa n df c i a 僦叩t i c a l c o 姗l l i i i c a t i o nt h n o l o 西e sw e r es n l d i e db o t l lm e o r e t i c a l l ya n de x l e r i n l e i i t a l l y t l l e m a i nc o n t c n t sa n da c h i e v 锄e n t sa r 它a sf o l l o w s i v 北京邮电大学博士学位论文 1 c o m b i n n i i l ga n i 鼬d p i cp e r 缸n ym 砌e dl a y e r m l ) f o rt h cb o m d 町 台鞠纽蝴如丘n i 自e _ d i 琢燃矗m e - d 鲫a i l lm g l h l o d 但d l t d ) i s 捌u c e dt om o d e lp c f 1 _ h e 白砌呵a i i so ff d t da n dp m lt e c h n i q u 髂a 地d i 邺s c dmd 酏虬锄dt l l i s m e t h o di ss u c c e 鹃f i i l i y 憾e dt o 锄a l y z em ep r o 刚i e so f p c f s 2 a ni l n p m v e de 妇铳t i 、，ei n d c xn l e t h o d ( i e i h di sp f o p o s e df o ra c c l 瑚t e 觚a l y s i s o fp c f m i mi sd e v e l o p e d 断mac o n v 酬a lf l l l l yv 研i a ie 如ma n di ss h o w nt o g i v em o 嬲砚h e 坞s l l i 协t h 强l h ec o 小嘲埘a lo 扯t h e s u h so b t a i o n e db yi e i m a g r e e w e i l 、j v i m c u r 蹴n 硼l e l i c a ir 皓m t so 魄i i i l e db yo n 财m “h o d s 醛w e l l 私t h e p f e v i o l l s l y 唧嘶e de x l ，c r i m c l i _ t a i d a 饥m i m i s a p o w a 咖t o o l f o r 缸a i 徊吨p c f s 3 d i s p e r s i o n _ n 舭n e dp c f 谢t l l 跚l a l ln o m i a ld i s p e 略i i sp p o s e df o r 窖胁e m t i l l gaf l a t 觚db m a ds l | 1 ) e r c o 埘n u u mi nt h et e l c c o m m i l i l i c a l i o nb a l l d t h e c h r o m a t i cd i 印删o no ft h ep c fi sac o n v e xf l l 瞰财驰o f 删e l a l g t t 岱a n dl l 私 z e r o d i s p e 塔i o nw a v e l e n g t l l so v e rt l l ew h o l ep a r to f t h ef l b e ln 咖e r i c a ls i m u l a t i o ni s 瑚：e d t o s 砌yt h ed to ff i b e r 弘嘞e t e r s a i l d p 叩i n gc o n d i t j o 邮o n s u p c 啪m i n u 岫g 锄e 倒丘o ni i lt t 圮p c f s 4 d i s p e r s i o n f l a t t c n e dp c f s 、v i t l ls i i l a i ln o r n l a ld i s p e r s i o na r ed e s i g n e d 如rn a l b r o a d b 锄ds i 】科玳：o n t i i l u 吼g e f l e r a t i o n a l s o ，m u l t i w a v e l g mp u l 辩s o u r c e sb a s e d s p e 删s l i c i i l g i sp r 嚣删 5 at a p 翩e d t p h o 幻f d cc f y s t a l 蠡b e ri sd e s i g n e db yc o m b 醯n g 也ca c i v 铂l 乜g e o u s p r o p e n i e so fp h o t o i l i cc r y s 协lf i b 盱a n dt a p e r i n gf o r 掣锄强l t i n gn a tb m a d b 姐d s u l 腓蛳i l 删| i n 1 kf i b e ri sc h 锄峙t e r i z e db yf l 啪e n e d 幽o n l 硝cd i s p e f s i o n 讷i c h a l d e c 嗽睇s 丘咖ap o s i 矗v cv a l t oa 地g a t i 、，eo 鹏谢t hf i b 凹l e n g l l l s u l 哪c o n t i i l u 岫g 龃e 枷o ni nt h i sp l l o o n i ca y s t a lf i b e rw 豁也e o 恻i c a ls h l d y ni s s h o w nl h l 伽g l lt h e o r e t i lr 嚣l l l t st l i a tt h e 哪s e d 肋盯。丘b 鹉n 埒p o s s i b i l 时o f e 伍| c i c n ta n dn a ls i i p e f n m m 峨g e n 删i o ni i it h et e i e o o m m m l i c a t i o nw i n d o wu s 组g a f e wp i c o 训p l l l s 6 m g a 撇娟o no f a 蛳刚噼埘埘l 珊s p 咖o f 嗍9 0 n m i l l 龇1 5 5 肿 坞g i o 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( 弛i 以p u l s e s 峭i l l gp c f i sd e m 彻s t r a c de x p e r i n 呦t a l l y - a2 6mp c fw 嬲u s e dt oc o m p e n s a t et h ed i s p e r s i o n o f 2k ms t a i l d a r ds i n g em o d e 舶c ri na2 0 一n mr a n g ei i icb 柚d 1 kf h r t t 斌r e a r ；c h r e s l l l t ss h o wm a tt h cp c fc a i lc o m p e n s a l e1 l l ea l l o m a l o u sd i s p e r s i o fas i n 酎em o d e 肋e rw i “n 士0 3p s m n - k m o v e ra5 0 一姗砌g e 肋maw a v e l e n g l l lo f1 5 2 0 姗t o 1 5 7 0 衄 1 0 a l l _ o p t i c a lw a v c i e n 班c o n v e r s i o n 戚n gf o 删m i x i n g ( f w 岣i n p c f i si n v e s t i g a 埘1 1 l ec o n v e r s i o no fl og b i 讹s i g i l a lb a s e do nf w mi na3 0 m d i s p e r s i o n - n a t t e n e dp c f i se x p e r i l n e n t a l j yd e m o n s 妇士e d t h ec o n v e r s i o ne m c i e 眦yi s a r o u n d 1 9 5 d bw i t ht h en u c n l a t i o no f l e s st h 姐1 4 d b ，w l l i c hc o v e r sac o i e 瑙i o n b a i l d w i d t ho f 2 0 埘吡 酗w o r d s ：o p t i c a lf i b e ro o m m l l n i c a t i 呱p h 咖l l i cc r y s t a l 邱s u p c r c o n t 咖峨 a i l 唧t i c a l 阳g e n e r a t i o n p i l l 辩c o m p 阳鼹i o n ，w a v e l 曲g t h n v e r s i o l l ，d i s p e 幅i c o n l 岬a t i v i 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 bi 本人签名：3 塾她笙1日期：2 生塑：苎丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 ， 本人签名：塾包型)日期：坦7 ：篁幽 导师签名：日期： 北京邮电大学博上学位论文第一章绪论 第一章绪论 本论文的工作是围绕以下项目展开的：以任晓敏教授为首席科学家的国家 重点基础研究发展计划( 9 r 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重 要工艺创新与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) ；教育部科学技术重大研究 项目“基于微结构光纤的新一代光通信器件及系统”( 项目编号：1 0 4 0 4 6 ) ，国家 高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目。单结构与多结构集成式光子晶体光纤及器 件”( 项目编号：2 0 0 3 a a 3 1 1 0 1 0 ) 以及北京市教委共建项目( 项目编号： x k l 0 0 1 3 0 4 3 7 、。 结合课题组承担的项目，本文对光予晶体光纤及相关通信光电子技术进行 了深入的理论和实验研究，取得了多项研究成果。在绪论部分，我们就课题的研 究背景、研究意义以及本论文的主要研究工作作扼要的介绍。 1 1 研究背景和意义 光子晶体光纤( p h o t o n i cc 聊n a lf i b 盱，简称p c f ) 是一个崭新的、倍受瞩目的 研究领域【圳。光子晶体光纤的概念源自于光子晶体( p h o t o l l i co r y s t a l ) ，继1 9 8 7 年e y a b l 曲o v i t c h 和s j o l l l l 创造性地提出了光子晶体的概念之后l ，1 9 9 2 年p s t j r u s l l 首次独到地提出了具有规则微结构的光子晶体光纤的概念，并于 1 9 9 6 年的o f c 会议上首次发表了他们的研究成果1 6 l 。1 9 9 6 年，p s t j r u s s e u 和他的组员j c k n i g i i t 等人在实验室成功制作出世界上第一根光子晶体光纤1 7 j 。 光子晶体光纤按照导光机制的不同可以分为全内反射型m t a li n t c m a l r e n e c t i ，t i r ) 和光子带隙型( p h o t o n i cb 卸dg a p ，p b g ) 两类i l 剐。1 r i r p c f 的导 光机理类似于传统光纤。传统光纤通过掺杂使得纤芯的折射率高于包层的折射 率，从而实现全内反射导光，而1 哝一p c f 的芯区是实芯的，包层则为空气孔和 熔石英所构成的微结构，其有效折射率低于纤芯的折射率，因而能够满足全内反 射的导光原理，这种新的机理被称为改进的全内反射( m o d i 6 c dt b t a li n t e m a l r 咒n e d i o n ) ，因此t i r p c f 也称为折射率引导型光子晶体光纤( 枷e x g u i d i n g p c f ) 。p b g p c f 简称为光子带隙光纤( p h 0 1 0 n i cb 卸d g a pf i b c “简称p b f ) ， 光纤中光的传播是基于二维折射率周期变化的介质结构所形成的光子带隙效应， 使光子晶体光纤能够在低折射率的纤芯内实现对光的约束。1 9 9 8 年，j c k n i g h t 等人研制成功了第一根基于光子带隙效应实现光传输的光子晶体光纤1 9 j 。需要指 出的是，对于折射率引导型光子晶体光纤，包层中空气孔的周期排列不是必要的， 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 随机排列足够多的空气孔也能够有效降低包层的折射率，实现改进的全内反射。 因此，这种光纤已经不同于早期提出的空气孔周期排列的光子晶体光纤，为了突 出包层中排列有波长量级的空气孔的这一特征，折射率引导型光子晶体光纤也被 称为多孔光纤( i o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m i c r t 邝d u r c df i b c r ) 。 光子晶体光纤的出现使光纤的结构发生了革命性的变化，在观念上给人们 产生了极大的冲击。人们凭借超凡的想象力，在纤细如丝的光纤中尝试制作了各 种各样的微结构，这些微结构从根本上改变了光纤的性能，并赋予了光纤许多奇 异的特性，如无波长限制单模传输( 1 0 1 1 j 、新奇及灵活可控的色散特性【1 描】、可控 制的模场面积【猢0 】、强双折射效应【3 1 硼、光子禁带效应1 3 3 l 等。光子晶体光纤的 优越特性显示出了其巨大的发展潜力和应用前景，它不仅有可能成为性能优越的 新一代光通信传输媒质，而且可以用来制作各种前所未有的、新奇的光电子器件， 其应用领域不断扩大，并己迅速成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的前 沿热点。 国际上对光子晶体光纤的研究主要包括：理论分析方法、理论模型以及光 学传输特性的研究：光纤的制作工艺：新型光纤、新型光纤器件的设计制作，以 及基于光子晶体光纤的各种应用研究。近几年来，光子晶体光纤的理论研究、制 造技术及其应用研究都取得了重要的进展。 在理论研究方面，光子晶体光纤的理论分析方法、理论模型是研究分析光 子晶体光纤的重要工具。随着光子晶体光纤的出现，各种理论分析方法、理论模 型也随之不断地发展起来。目前主要的理论分析方法、理论模型有有效折射率方 法【4 4 3 j 、平面波方法【5 伽、正交函数展开方法【6 邮】、光束传播方法f 舔7 0 j 、时域有 限差分法1 7 1 稍i 、有限元法i 脚l 、多极法i 如哪】等。 有效折射率方法最早由b i r k 等人提出。它将光子晶体光纤包层的周期性结构 等效成一个具有等效折射率的均匀包层，这样可以把光子晶体光纤类比成传统阶 跃光纤，然后再利用传统的光纤理论得到光子晶体光纤的传输特性( 如传输常数、 色散、损耗等) 。该方法概念清楚、计算简单，能够粗略地阐述光子晶体光纤的 各种基本概念及部分光学特性。缺点是由于采用了标量近似，在空气孔较大时， 其结果不够准确，也不能精确地描述光子晶体光纤的矢量模场分布和双折射。 平面波方法是光子晶体理论研究中物理概念最明晰的方法之一，被普遍应 用于能带结构的计算。其基本思想是将周期性的介电结构分布与模式场均用平面 波展开，再通过求解电磁场的麦克斯韦方程计算能带结构、带隙位置及宽度。这 种方法可以分析光子晶体光纤的模式特征，并可以得到缺陷模，即光子晶体光纤 中束缚模的模式场与传播常数。为得到较精确的结果，该方法必须在展开式中包 含许多平面波数，使得计算效率较低它的主要缺点一方面是计算量很大，对计 2 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 算设备条件要求较高，另一方面在计算时需要根据所给定的传播常数计算各种模 式所对应的波长，且只能预先给出一个确定的材料折射率，不能够同时系统考虑 材料色散和波导色散，对于总色散只能用材料色散加波导色散的方法解决。 正交函数展开法是将光予晶体光纤的横向折射率和横向电场用完备正交函 数展开，如厄米高斯函数，利用波动方程得到关于传输常数的本征方程，通过 求解本征方程，从而得到传输常数对应的横向电场分碌，进而可研究光子晶体光 纤的色散、双折射等。由于正交函数法利用了模场在光子晶体光纤中的局域性， 其计算效率得到了很大的提高。使用这种方法的关键是对光子晶体光纤的横向折 射率分布的表达，对光子晶体光纤横向折射率刻划得越精确，结果就越准确。但 现有的模型用h e 肿i t c g a s s i a n 函数表示光子晶体光纤的中心折射率缺陷( 即光子 晶体光纤的纤芯区域) ，在光子晶体光纤中空气孔径较小的情况下对横向折射率 的表示有较高的精度，但在空气孔径较大时，这种方法对中心折射率缺陷的描述 会出现较大的误差。另外，基函数、e 和e 展开时的特征参数、以及展开式阶数 的选取，都对数值分析结果有影响，而且当阶数较高时，计算速度较慢。 时域有限差分法( f i n i t ed i f c r c n c cn m cd o m a 氓f d l m l 是艮s y e c 于1 9 6 6 年 首先提出来的一种电磁场数值计算方法。它以y e e 元胞为空间电磁场的离散单元， 将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，在时间轴上逐步推进求解电磁场问题。 f 【i t d 作为较为成熟的电磁领域的计算方法，能结合计算机技术处理十分复杂的 电磁问题，已被广泛应用于电磁波传播、微波理论和技术、光学技术等领域。随 着计算机领域的飞速发展，咖方法在一定程度上克服了其计算量偏大的弱点， 而其简单直观、易于编程的特点日益凸现，具有广泛的适用性。f d t d 方法己成 功应用于光子晶体光纤的特性分析。该方法在计算运行过程中，可以记录网格点 处的每个时问步的场值，对记录的场值做傅立叶变换就可以得到频域响应，便于 分析光子晶体光纤的传输特性。 与f d l m 方法相似，有限元法( f i n i t ce l 咖c n tm e t h o d ，f e m ) 也是电磁场分析 的一种传统方法。它以变分原理和剖分插值为基础，将求解区域划分成若干小而 离散化的区域，将每个区域的场函数用含有待定系数的试探解表示，再利用变分 原理将微分方程化为含有待定系数的代数方程，并结合边界条件来求解。有限元 法是光波导分析中应用最为广泛的方法之一，也被大量应用于光子晶体光纤的特 性研究。它在分析结构较复杂的微结构光纤的处理上具有较大的优势，能有效、 精确地分析光子晶体光纤的多种特性。但该方法网格划分比较复杂，算法实现和 程序设计也比较复杂。 多极方法( m u l t i p o l em e t h o d ) 是一种较为准确的分析方法。这种方法是从分 析传统多芯光纤的多极方法发展而来的。它将电场或磁场的纵向分量展开为多极 3 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 坐标下的傅立叶一贝塞尔( f o u r i 盯b e s 靶1 ) 函数，通过利用b 髂l 函数的加法定理， 以及电场与磁场横纵分量之间的关系，应用边界条件，得到关于电场或磁场的纵 向分量展开系数的特征方程。通过求解特征方程就可以得到模式的传播常数与相 应的模场展开系数。这种方法的一个显著优点是精度较高，当空气孔数目较少时， 其计算速度很快，已被应用于分析光子晶体光纤的模式、色散和限制损耗 ( c 0 n 珏n 砌姐tl 0 鹤) 等。其缺点是只适合于分析具有圆形气孔的的光子晶体光纤。 目前，国际、国内对光子晶体光纤的理论研究主要包括分析方法本身的改 进、新方法的提出、对光子晶体光纤特性的分析和设计新型光子晶体光纤等。尽 管已有的研究光子晶体光纤的理论分析方法已经很多，但在与工艺实验研究相结 合的情况下，发展高效、快速，而且具有一定精度的理论分析模型的研究工作仍 然具有重要的现实意义。 光子晶体光纤理论研究的深入和制作工艺的完善，不断拓展光子晶体光纤 的应用领域，并推动光子晶体光纤的实用化进程。现在，光子晶体光纤的制作技 术已经得到很大的提高，人们已经能拉制出各种结构复杂的光子晶体光纤，并已 实现了商用化，如国际著名的c r y s t a lf i b r c 公司可提供空气波导光子带隙光纤、 大模场面积光子晶体、非线性光子晶体光纤、大数值孔径光子晶体光纤和保偏光 子晶体光纤等多种性能优良的产品。在国内，我们“9 7 3 计划”项目组的合作单 位燕山大学、武汉邮电科学研究院等单位也在光子晶体光纤制造工艺方面也取得 了突破性的进展，目前已达到了微结构光纤的较精确设计与制造，能够较稳定地 拉制出一系列微结构光纤。如高非线性微结构光纤、柚子型光敏微结构光纤、色 散补偿微结构光纤、双包层掺镱微结构光纤、掺铒微结构光纤、双折射微结构光 纤、大模场微结构光纤、空芯激光传输微结构光纤、p b g 光子带隙微结构光纤、 f 1 1 h 用微结构光纤等2 0 余种不同种类的光纤。 光子晶体光纤已广泛应用于光通信、光电子学和非线性光学等许多领域的 前沿研究陋州，如它在超连续谱的产生、光开关、波长变换、可调谐滤波器、 激光器、参量放大、拉曼放大、高能量传输、大功率光纤激光器、光纤传感、光 纤光提等方面的已获得了应用，并取得另人瞩目的成果。随着光子晶体光纤研究 的深入，光子晶体光纤所展示出的种种优异性能将会有更加广泛、深入的应用。 在通信光电子领域，可以预见，光子晶体光纤的发展前景异常广阔，并将 扮演重要的角色，而相关科学问题和技术问题的解决，必将极大推动相关领域的 发展。进一步开展光子晶体光纤的理论和及其在通信光电子领域中的应用研究有 着重要的现实意义。 4 北京邮电大学博上学位论文第一章绪论 1 2 论文的主要工作 本论文的主要工作有以下几个方面：( 1 ) 建立了时域有限差分法( 咖) 分 析光子晶体光纤的计算模型，该模型采用了各向异性完全匹配层( a p m l ) 作为 吸收边界条件以提高计算精度。( 2 ) 对有效折射率方法进行了改进，提出了改进 的有效折射率方法，极大地提高了计算精度。( 3 ) 对基于光子晶体光纤的宽带、 平坦超连续谱的产生及其在波分复用( w d m ) 光通信中的应用进行了深入的理 论和实验研究。( 4 ) 开展了基于光子晶体光纤的全光再生、脉冲压缩与整形、色 散补偿和全光波长变换等方面的理论和实验研究。 论文的结构安排如下： 第一章为绪论。 第二章引入了f d t d 方法分析光子晶体光纤，详细推导了f 啪差分表达 式，介绍了以各向异性完全匹配层( a p m l ) 作为吸收边界条件的技术，并应用 舳方法对光子晶体光纤的传输特性进行了分析。 第三章对分析光子晶体光纤的有效折射率方法进行了改进，提出了改进的 有效折射率方法，并通过与其他方法获得的精确计算结果和与其他文献报导的实 验结果相比较，检验了该方法的有效性和计算精度。 第四章对光子晶体光纤中的宽带、平坦超连续谱的产生进行了系统、深入 的理论研究。 第五章对基于非线性色散平坦光子晶体光纤中的平坦超连续谱的产生进行 了详细的实验研究。实验获得了宽带、平坦的超连续谱并通过对光谱滤波，获 得了高重复率的多波长脉冲序列。 第六章介绍了基于光子晶体光纤的全光再生的理论和实验研究工作。 第七章介绍了光子晶体光纤在脉冲压缩和整形中应用的理论研究工作。 第八章介绍了基于光子晶体光纤的色散补偿及全光波长变换的实验研究工 作。 5 北京邮电大学博士学位