（电磁场与微波技术专业论文）光子晶体光纤的特性分析及其在全光开关器件中的应用.pdf

北京邮电大学硕士论文 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 包含其他人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。 本人签名：弭日期： 加苫王哆 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。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： 整垒 导师签名：j 磊辎 北京邮电大学硕士论文 光子晶体光纤的特性分析 及其在全光开关器件中的应用 摘要 本论文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结 构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 ) ；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 从3 1 1 0 1 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 ) ；北京教委共建项目( 项目编号： x k l 0 0 1 3 0 4 3 7 ) 。 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，简称p c f ) 是一种沿光纤端面 存在周期性介电结构排列的特殊光纤。与普通光纤相比，它表现出许多优异的特 性，如无限单模传输，色散和模场面积高度可控，高双折射等等。这些特性使 p c f 在光通信中具有广阔的应用前景，例如p c f 可用来扩展光通信的波段，可用 于色散补偿、脉冲压缩、短波孤子传输、超宽连续谱发生以及基于p c f 的各种光 纤器件等。 本论文对p c f 的特性和应用、制作方法、理论分析方法和发展现状进行了综 述，在此基础上，对光子晶体光纤的模场传输特性进行了数值模拟和分析，同时 进行了基于光子晶体光纤的全光开关的实验研究。主要内容如下： 1 综合比较了光子晶体光纤的各种理论模型，分析表明正交函数法可以准 确地刻画光子晶体光纤的折射率分布和模场分布，而且利用模场分解函数的正交 归一化性质可将波动方程的求解转化为矩阵的特征值求解，计算速率较高、精度 较好，所以本论文选用正交函数法作为基本理论分析方法； 2 利用f 交函数法研究了光子晶体光纤的模场特性。分析了光子晶体光纤 的模场分布特点，计算了光纤的有效模场面积、数值孔径。研究了p c f 的模场面 积对空气孔直径和孔间距的依赖关系，对不同大小模场面积p c f 的实际应用做了 讨论； 3 研究了p c f 的色散特性，分析了光子晶体光纤的结构参量对其色散特性 的影响，设计出三种有重要应用价值的光子晶体光纤结构，包括：零色散点在 8 0 0 n mp c f 、在1 5 5 0 n m 处色散值为6 p s n m k m 的色散平坦p c f 和1 5 5 0 n m 处色散 值达到一1 7 0 0 p s n m k m 的可用于色散补偿的p c f 。 2 北京邮电大学硕士论文 4 与人合作，在1 5 5 0 n m 通信波段、1 0 g b s 光传输系统中进行了以光子晶 体光纤为非线性介质的全光开关实验研究。制作了以高非线性p c f 作光学介质的 非线性光环镜( n o l m ) ，并做出了基于非线性光纤环镜的全光开关，得到了时域 内很好的光开关脉冲形状，分析表明该光开关还具有波长变换的功能。 关键词：光子晶体；光子晶体光纤；正交函数法；模场分布；色散；全光开关 a n a l y s i so fp h o t o n i cc r y s t a l f i b e r a n da u o p t i c a ls w i t c h i n gb a s e do np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r a b s t r a c t t h ew o r ki n c l u d e di n t h i st h e s i si ss u p p o r r t e db yn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c h p r o g r a mo fc h i n a ( n o 2 0 0 3 c b 314 9 0 0 ) ，n a t i o n a l8 6 3h i g ht c h n o l o g yp r o j e c to f c h i n a ( n o 2 0 0 3 a a 31 10 1o ) ，t h ek e yg r a n tp r o j e c to fc h i n e s em i n i s t r yo fe d u c a t i o n 附o 10 4 0 4 6 ) ， a n dc o c o n s t r u c t e dp r o j e c to fe d u c a t i o nb o a r do fb e i j i n g ( n o x k l 0 0 1 3 0 4 3 7 1 p h o t o n i cc r y s t a l6 b e r ( p c f ) i san e wk i n do fs i l i c a6 b e rw i mp e r i o d i c a l 酏r u c t u r e i nt h ec l a d d i n g i th a sm a n yu n u s u a lp r o p e r t i e sc o m p a r e dt os t a n d a r df i b e r s ，s u c ha s e n d l e s ss i n g l em o d eo p e r a t i o n ，n e x i b l et a i l o r a b i l i t yo fd i s p e r s i o na n dm o d a la r e a ，l l i 曲 b i r e f r i n g e n c ee t c t h ea d j u s t a b l e p r o p e r t i e s o fp c fs u g g e s tal o to fp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s f o re x 锄p l e ，p c fc a n b eu s e df b r b r o a d e n i n go p e r a t i o nw a v e l e n g mr a n g e ，d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，p u l s ec o m p r e s s i o n ， s h o r tw a v e l e n g t hs o l i t o nt r a n s m i s s i o na n du l t r a - b r o a d b a l l dc o n t i n u u mg e n e r a t i o ne t c a n dc a na l s ob eu s e dt om a k eo p t i c a ld e v i c e sb a s e do np c f i nt h i st h e s i s ，t h e 如n i i a m e n t a lt h e o r yo fp c fa r es u m m a r i z e ds y s t e m i c a l l y ， i n c l u d i n gf a b r i c a t i o nm e t h o d s ，b a s i cp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n s ，t h en 哪e r i c a ls t l l d y m e t h o da n dd e v e l o p m e n ta c t u a l i t y t h ef i e l dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp c fh a s b e e nn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h ee x p e r i m e n to na l l - o p t i c a ls w i t c hb a s e do n p h o t o n i cc r y s t a lf l b e r ( p c f ) a r ep e r f o m l e d t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r e t i c a lm o d e l so fp c fa r ea n a l y z e d t h eo r t h o g o n a lf u n c t i o nm e m o d ， w h i c hc o u l dd e s c r i b et h ei n d e xa n df i e l dd i s t r i b u t i o na c c u r a t e l y ，a n dh a v ev e d rg o o d c o m p u t i n g t i m ea n dp r e c i s i o n ，w a sc h o s e na sn u m e r i c a ls t u d ym e t h o do f t h i st h e s i s 2 t h e 矗e l dc h a r a c t e r i s t i c so fp c fa r ea n a l y z e du s i n gt h eo r t h o g o n a l 胁i o n m e t h o d t h e6 e l dd i s t r i b u t i o ni ss h o w e da n dt h ee f - f e c t i v ea r e a 、n u m e r i c a la p e r c u r eo f p c fa r ec a l c u l a t e d t h ee f - f e c t so ft h es t m c t u r a lp a r 锄e t e r so ne f f e c t i v ea r e aa r e s t u d i e d ，s o m ea c t u a la p p l i c a t i o n so fl a r g eo rs m a l lm o d ea r e ap h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s a r ed i s c u s s e d 3 t h ed i s p e r s i o np r o p e n i e so fp c fa r es t u d i e d t h e e f f e c t so fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so nd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d t 1 1 r e eu s e m ls t r u c t l 】r ed e s i g n s c h e m e so fp c fa r ep r o p o s e d ，i n c l u d e ：p c fw i t hz e r o - d i s p e r s i o na t8 0 0 m ， f l a t t e n e d 4 d i s p e r s i o n p c fw i t h6 p s i u n k m a t15 5 0 姗a n dp c f 、析t hd i s p e r s i o n o f l7 0 0 p s n m k ma tl550 mw h i c hi s s u i t a b l et oc o m p e n s a t et h ed l s p e r s l o n 1 n c o n v e n t i o n a lf i b e r s 4 c o o p e r a t i n gw i t ht h em e m b e r so fo u rt e 锄，t h ee x p e r i m e n t o na u 。o p t l c a l s w i t c h i n g b a s e do np h o t o n i cc r y s t a l 舶e ri sp e r f o m e d 。t h en o n l i n e a ro p t i c a l ! o o p m i 仃o r ( n o l m ) u s i n gp c fa sn o n l i n e a rm e d i u mw a s m a d ea n da l l 。o p t i c a ls w i t c m n g b a s e do nn o l mw a sd e m o n s t r a t e d w eg o tv e r yg o o dp u l s es h a p e i nt h ee x p e n m e n t ， a d d i t i o n a l l v 。m es w i t c hc a i la l s ob eu s e da sw a v e l e n 西hc o n v e r s l o n d e v l c e s k e v w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l ( p c ) ； p h o t o n i cc r y s t a l f i b e r ( p c f ) ；o r m o g o n a l f u n c t i o nm e t h o d ；丘e l dd i s t r i b u t i o n ；d i s p e r s i o n ；a l l - o p t i c a ls w i t c h 5 “ 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论、 本论文工作是围绕任晓敏教授承担的9 7 3 项目课题“基于微结构光纤的光电 子功能器件的创新与基础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 ) 、8 6 3 项目“单结构 与多结构集成式光子晶体光纤及器件”( 课题编号：2 0 0 3 a a 3 1 1 0 1 0 ) 、教育部重大 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 ) 。在任 晓敏教授、黄永清教授和张霞老师的精心指导下，笔者与课题组的其他同学一起 对光子晶体光纤进行了理论和实验研究工作。在本论文的绪论部分，将就本论文 的意义、主要内容以及结构作简要的介绍。 1 1 研究意义和课题背景 美国康宁公司制造出的低损耗通信用光纤在2 0 世纪7 0 年代可以称得上是光 通信领域内的一个突破。三十年后的今天，光子晶体也许会是类似的在光通信领 域内的另一个突破。我们现在所处的时代从某种意义上来说是一个半导体时代， 半导体的出现给从日常生活到高科技都带来了革命性的影响。大规模集成电路、 计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西都是由半导体带 来的。几乎所有的半导体器件都是围绕着如何利用和控制电子的运动，电子在其 中起着决定作用。半导体器件到如今可以说已到了登峰造极的地步，电子集成的 极限会在可以看到的将来出现，这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所 没有的优势：速度快，没有相互作用，因此，下一代器件中扮演主角的无疑将是 光子。 操纵光波和声波的流动是人类多年的梦想和追求。全球高新技术领域的科学 家和企业家都期待着新的人工微结构材料对光波的操纵。从科学技术的角度可以 预言，一旦实现这个目标，将可能引发一场2 1 世纪的光子技术革命。光子晶体 和光子禁带理论儿2 j 的出现在观念上给人们极大的冲击，它预示着人们可以像控 制电子一样控制光子的流动，并进而可以制造全新的重要的光子器件。因此，光 子晶体被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”，随着不断地深 入研究，一门新的学科和产业将会出现，就像半导体产业大大改变了人们的生活 一样，它的发展也将给现代科技和人们的日常生活带来极为深刻的影响。光子晶 体的研究已成为国际学术研究热点之一，发表的论文数目每年以近7 0 的速度增 长，超过了著名的摩尔定律。从2 0 世纪9 0 年代后期起，光子晶体受到各国政府、 军方、学术机构以及高新技术产业界的高度重视。1 9 9 9 年底，美国科学杂 志预测未来的十大研究热点，光子晶体位列其中。 当前光纤通信系统正在向以密集波分复用技术( d w d m ) 为基础的新一代 全光通信网络( a o n ) 演进。实现全光通信的关键在于全光器件。光纤器件具 北京邮电大学硕士论文 有与光纤耦合效率高、信号处理全部在光域进行、成本低等优点，已经成为与传 统的半导体器件并列的一类重要器件。 1 9 9 2 年，s t j r u s s e u 等人【3 m 哿光子晶体的概念引入到光纤中，提出了光子。 晶体光纤的概念( p h o t o n i cc r y s t a l 胁e r s ，简称p c f ，又称多孔光纤或微结构光纤) ，： 从光纤端面看，存在着周期性的二维结构。其优越特性显示出巨大的发展潜力和 应用前景，特别是基于光子晶体光纤的光子器件对于超高速、大容量光通信的发 展将具有十分重要的作用，在全光通信器件和系统设计方面展示了广阔的应用前 景，是构建新一代全光通信网的支柱和核心技术之一，成为目前国内外的研究热 点。 光子晶体光纤已经表现出了一些优异的特性，如它的无波长限制单模传输、 色散可控、强非线性效应、强双折射效应、带隙限制空芯导光等诸多新奇特性 【4 j _ i7 i 。而且，通过改变光纤的几何参数，可以设计出具有超大模面积、大数值孔 径、高非线性、高双折射光纤。特别是一些新式光子晶体光纤器件的设计，将具 有重大的意义：利用光子晶体光纤制作宽带光纤放大器、高功率光纤激光器、宽 带可调谐光纤光栅、光衰减器、波长变换器、用于高调制速率数据恢复与整形的 光开关瞵j 【j ；利用光子晶体光纤非线性进行拉曼光纤放大器和激光器的研究将 极大拓宽目前光通信用波段范围；利用非线性光子晶体光纤产生超连续谱，从整 个可见区到红外，光谱宽度可达到1 0 0 0 n m ，对w d m 系统的发展具有很大的吸引 力川- 1 1 3 j ；利用在空气孔中填充特殊材料的手段可以制作光衰减器和用于倏逝场 传感器件；经过研究合理设计，光纤可以具有平坦的高色散值，这种特性可用于 数据传输过程中的色散补偿和管理；利用光纤的非线性和反常色散特性可以产生 光波段光孤子等。除此之外，光子晶体光纤的一些其他特性，如自相位调制( s p m ) 、 四波混频( f w m ) 、多次谐波、对脉冲压缩等也都具有极大的研究价值。而具有光 子禁带的空芯光子晶体光纤更是具有特殊的性质与应用，由于光是在空气芯中传 播的，可以具有超低的损耗和超低非线性，除了在光通信领域的应用外，最近还 显示出了在粒子光钳，小体积x 一射线源等方面的优势。光子晶体光纤的这些特 殊性质，引起了国际上各发达国家科学家的注意，正在抓紧研究开发。利用光子 晶体光纤制作成光子器件还涉及到一些重要的机理问题和技术问题。这些机理和 技术的研究解决将极大推动光通信领域的发展，提高我国在这个领域的竞争力， 对整个国民经济的发展也具有重大意义。 1 2 论文内容和结构安排 随着对光子晶体光纤研究的日益深入，为了能对它的传输特性做出准确的预 测，需要对其中的传输模场有一个全面的了解，因而就需要对在光子晶体光纤中 的传输模场进行模拟计算，目前已经出现了多种研究光子晶体光纤传输特性的理 9 北京邮电大学硕士论文 论分析方法，包括有效折射率模型【14 1 、正交基函数展开的矢量模型【1 5 18 1 、平面 波法【1 9 】、时域射线传输法【2 0 】、散射矩阵法【2 l 】、有限时域差分法【2 2 1 、有限元法等 等【2 3 1 ，它们可以精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，对光子晶体光纤 的设计有重要的指导意义。本论文选用正交函数展开法作为理论研究工具，对全 内反射导光型光子晶体光纤的一些基本特性进行了分析，包括模场分布、数值孔 径、模式有效面积、色散可控特性等，并且实验研究了用光子晶体光纤制作非线 性光纤环镜( n o l m 环) ，实现全光开关。论文结构安排为： 第二章中对光子晶体和光子晶体光纤作简要的介绍，包括光子晶体的概念和 应用；p c f 的概念、分类、制作、基本特性和应用； 第三章中先对现有光子晶体光纤理论计算模型作了简要介绍和比较，然后详 细介绍了正交函数法理论模型： 第四章中以正交函数模型为工具，详细分析了光子晶体光纤的模场分布、基 模有效面积、数值孔径、可控色散特性等，并就一些特性的实际应用作了介绍： 第五章介绍了用光子晶体光纤作为n o l m 环的非线性介质，实现全光开关。 1 0 北京邮电大学硕士论文 第二章光子晶体和光子晶体光纤 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ，简称p c ) 是指折射率在空间周期性变化的介电 结构，其变化周期和光的波长为同一个数量级。光子晶体也称为光子带隙材料， 也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体的概念最早由e y a b n o l o v i t c h 和s j o h n 分别提出。1 9 8 7 年 y a b n 0 1 0 v i t c h 在讨论如何抑制白发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同 时j o h n 【2 j 在研究光子局域特性时也独立提出。他们指出，如果将不同介电常数 的介质材料组成周期结构，比如在较高折射率材料中的某些位置周期性地引入低 折射率材料，光波受到介质周期势场的影响而具有能带。这种能带结构叫做光子 能带( p h o t o n i cb a n d ) ；光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙( p h o t o n i c b a n d g a p p b g ) 。可以产生光子带隙的周期性电介质则称为光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l ) ，或叫做光子带隙材料( p h o t o n i cb a n d g a pm a t e r i a l s ) 。能量与光子 带隙相同的光子被禁止在该种带隙材料中传播。 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ，p c f ) 的概念最早由r u s s e l l 等人于1 9 9 2 年提出【3 】，它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着气孔，从光纤端面看， 存在着周期性的二维结构，如果其中一个气孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光 能够在缺陷内传播。由于p c f 是由其中周期性排列气孔的单一石英玻璃材料构 成，所以又称为多孔光纤( h f ，h o l e yf i b e r ) 或微结构光纤( m o f ，m i c r o s t s t r u c t u r e0 p t i c a lf i b e r ) 。p c f 气孔的排列和大小有很大的控制余地，可以根 据需要来设计p c f 的光传输特性。 2 1 光子晶体 2 1 - 1 光子晶体的原理和特性 在半导体晶体中，原子排布的晶格结构产生的周期性电势场影响着在其中运 动电子的性质，由于原子的布拉格散射，在布里渊区边界上能量变得不连续，出 现电子带隙，在电子能量允带间存在着电子能量不可能取值的禁带，电子能量如 果落在带隙内，传播是禁止的。在光子晶体中，由于介电常数在空间的周期性变 化，也存在类似的周期性势场。当介电常数的变化幅度较大且与光的波长相比拟 时，介质的布拉格散射也会产生带隙，即光子禁带( 图2 1 ) ，相应于此带隙区 域的那些频率的光在某些方向上是被严格禁止传播的。在光子带隙内，不存在任 何电磁波传播的模式，这将显著地改变光与物质相互作用的方式。带隙主要取决 北京邮电大学硕士论文 于其晶格类型、组成材料的介电常数( 或折射率) 配比以及高介电常数( 或折射率) 材料的填充比等。通过改变材料的介电函数或改变晶体原胞的大小，可以调制光 子晶体的带隙的位置和带隙的宽度。所以，像剪裁半导体的能带构造限制电子运 动的量子阱那样，可以构造限制光子运动的光子晶体量子。我们可以区分两种不 同的带隙：一种称为不完全带隙，相应于只在特定的方向上有带隙；另一种叫完 全带隙，相应于所有方向上都有带隙。 图2 1 光子晶体禁带示意图 f 如在半导体的应用中，掺杂占有着极其重要的地位一样。在光子晶体的应 用中，缺陷的引入同样占有极其重要的地位。所谓缺陷是指在周期性变化的光子 晶体中引入非周期性因素。如在光子晶体中移去一些介电物质，便可以产生缺陷 ( d e f e c t ) ，见图2 2 。只有和缺陷态频率吻合的光子才能被局域在缺陷位置或只 能沿缺陷位置传播，当偏离缺陷位置时，光就会迅速地衰减。这样一来，在光子 晶体中就形成了点缺陷态或微腔。如果是线缺陷态，就可形成光波导、如果是面 缺陷态，则可形成一个完全的镜面。 ( a )( b ) 图2 2 光子晶体点缺陷( a ) 和线缺陷( b ) 光子晶体与以前传统光电子材料( 晶体) ，如硅、砷化镓等的区别在于，后 者是在分子或原子尺度内改变物质的化学结构，从而完成对光的发射、吸收、传 播和调制；而光子晶体是在光波长尺度上对物质进行物理结构的改造，使该物质 能够控制光子的行为。另外，光子服从的是m a x w e l l 方程，电子服从的是薛定谔 方程；光子波是矢量波，电子波是标量波。所以说，虽然固体物理中的很多概念 北京邮电大学硕士论文 都可以用在光子晶体光纤上，但光子晶体和电子晶体两者在本质上是有区别的。 在周期性势场中，电子的波函数满足薛定谔方程： 【一篆v 2 州，) k e m 1 ) 其中，毛( r ) = ( ，+ 月。) ，壳为普朗克常数，巨为电子能量，在周期性势场中只 能取某些本征值。 在周期性介质结构中，电场矢量e 所满足的麦克斯韦方程可写成： _ v 2 e + v ( v e ) 一芋毛( r ) e = 等岛e m 2 ) 其中是介质的平均介电常数，s 。( ，) = q ( ，十r ) 是扰动介电常数，c 是真空光 速。在周期性介质中，等品只能取某些本征值，即波的频率只能取特定的本征值， 因此会存在频率禁带，即光子禁带或光子带隙。 光子品体虽然是一个比较新的名词，但在自然界中早已存在着具有光子晶体 结构的物质，盛产于澳大利亚的宝石蛋白石即为一个例子，蛋白石是由二氧化硅 奈米球沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上 的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化。 在生物界中，也有光子晶体的踪迹，以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的美丽色 彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构选择性反射日光的结果( 图2 3 ) 。科 学家发现澳大利亚海老鼠的毛也具有六角晶格结构，为生物界光子晶体的存在又 添一例。 图2 3 蝴蝶翅膀上的晶体结构 北京邮电大学硕士论文 2 1 2 光子晶体的分类 介质折射率的变化可以发生在一维、二维和三维空间，分别称为一维、二维 和三维光子晶体，如图2 3 所示。 如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只对沿着这个方向传播 的光波有效，如图2 3 ( a ) 。如果在两个方向上存在着周期性结构，则光子带隙 可以将光波在这两个方向上束缚住，图2 3 ( b ) 为二维光子晶体示意图，高折射 率材料呈柱状二维等间隔地排列在低折射率材料当中。如果在三个方向上都存在 周期性结构，那么就有可能出现全方位的光子带隙，特定频率的光波进入光子晶 体后将在各个方向上都禁止传播，图2 3 ( c ) 为三维光子晶体示意图，高折射率 材料排列在低折射率材料的晶格点上。 ( a )( b ) 图2 3 一维、二维和三维光子晶体结构 2 1 3 光子晶体的应用 由于光子晶体能够控制光在其中的传播，所以它的应用十分广泛。其主导思 想就是利用光子禁带或禁带结构中的缺陷态来改变光子晶体中某种电磁态的密 度，以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件。 1 高性能反射镜 由于频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择 没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎 为1 0 0 这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频率范围 内可以反射光，但在红外和光学波段有较大的吸收。这种光子晶体反射镜有许多 实际用途，如制作新型的平面天线，普通的平面天线由于衬底的透射等原因，发 射向空间的能量有很多损失，如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中 传播，能量几乎全部发射向空间，这是一种性能非常高的天线。 2 光子晶体波导 传统的微波波导是基于全反射及共振腔原理制作的，光学波导如光纤是基于全 1 4 北京邮电大学硕士论文 内反射原理制作的。光子晶体波导则是利用了缺陷态的导波效应。如前所述，完 全周期结构的半导体光子晶体存在完全带隙，在周期结构中如果引入一线状缺 陷，则会在带隙中引入缺陷模，它意味着在晶体的特定方向上，具有缺陷模频率j 的光能通过光子晶体，在别的方向上由于带隙的存在则是禁止的，这就形成了光羹。 子晶体波导。 光子晶体波导的优良的弯曲效应具有重要的应用价值。在一般的光纤波导中， 当波导拐弯时全内反射的条件不再有效，因此会漏掉部分光波能量，使传输效率 降低。而光子晶体弯波导中，所利用的是不同方向缺陷模共振匹配原理。原则上 只要达到模式匹配，不管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。图2 4 ( a ) 、( b ) 为两种缺陷构成的波导，( a ) 为低损耗弯曲光子晶体波导的传输示意图，弯曲 效应在全光集成系统中很有应用价值；( b ) 即为常见的光子晶体光纤。 瓣潞攀t 一；泐“鼯豁瓣i 瀚静擎。 。瀚溅瓣j 爹灞罐滞灞潞 斌澈藩一| 爹饕瓣灞褥鬣、t 。舔纛鑫鬻激滚滚鬣馥； 馘霜逡；氛。糍：。；溢酝溆i 盐连。懿氨： ( a ) ( b ) 图2 4 ( a ) 光子晶体的弯曲波导 ( b ) 光子晶体光纤 3 光子晶体激光器 传统的激光器也存在着一些问题。例如，激光器的发射波长的变化使传输损 耗发生变化，这对波分复用系统是十分不利的；而且随着激光器功率的增加，激 光器的线宽趋于饱和，并开始重新展宽，这对于相干光纤通信十分不利；激光器 的辐射角虽然比l e d 已经大大减小，但仍然不理想，这也导致了激光器的耦合 效率不高，只能达到3 0 5 0 。而在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体， 使缺陷态形成的波导与出射方向成一样的角度，自发辐射的能量几乎全部用来发 射激光，这大大减低了激光器的阈值。1 9 9 9 年，p a i n t e r 等在二维光子晶体中 引入一点缺陷，形成了光能量阱( 类似于量子阱) ，从而实现了光子晶体激光器( 如 图2 5 所示) 。 谶熏耩鬣瓢 熬瓣舔。飘 、嚣百。羹j鬻妻羹雾 黧一 熬蠖噍攥 戮凝瀛鬻 夔镰蘩 豢攀舔浚一灏添漱一辫、添 熬鞭黼龋 北京邮电大学硕士论文 kj | 图2 5 光子晶体激光器图2 6 光子晶体滤波器 4 光子晶体滤波器 图2 6 是一种光子晶体滤波器示意图。这种结构是通过在一块具有二维的光 子晶体平板中引入单点缺陷来实现的。和缺陷对应的频率为f i 的光可以被分离 出来，转移到其他的波导中，而其他频率的光将不会受任何影响，理论上这种分 离的方法可以不构成任何损耗。 光子晶体还有许多其他应用前景，如光开关、光放大、光存储以及光子频率 变换器等器件。 2 2 光子晶体光纤 2 2 1 光子晶体光纤概念 常规的光波导或光纤是利用波导芯或纤芯和包层之间的折射率差，将光限制 在高折射率的光波导芯或光纤中而传播的。因为光子晶体光纤是用同一材料制作 的，它不可能依赖芯层和包层间的折射率差来导光。由于光子晶体具有局域光性， 我们可以在周期性的光子晶体中引入缺陷，这种缺陷可以是空气孔，也可以是石 英，这样光子晶体的周期性结构遭致破坏，在光子晶体中心处的光子晶体呈现出 不完全的光子禁带结构，这样的不完全光子禁带结构便是传光的通道。 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 ) 的概念最早由s t j r u s s e l l 等人于1 9 9 2 年提出例。1 9 9 6 年，j c k n i g h t 在o f c 上报道了第一个光子晶体光 纤样品【3 3 j ，如图2 7 所示。它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤 端面看，存在一个周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出 现缺陷，光能够在该缺陷内传播。与普通单模光纤不同，p c f 是由其中周期性排 列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤( h o l e yf i b e r ) 或微结构 光纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) 。由于p c f 的空气孔的排列和大小有很大的控制 1 6 北京邮电大学硕士论文 余地，可以根据需要设计p c f 的光传输特性，所以它激起了人们浓厚的兴趣。 图2 7 第一根光子晶体光纤截面图 2 2 2 光子晶体光纤的导光原理 光子晶体光纤实际上是一种带有线缺陷的二维光子晶体，该缺陷可以是空气， 也可以是二氧化硅，根据引入缺陷的不同，形成了两种导光机制完全不同的光子 晶体光纤：光子带隙p c f 和全内反射p c f 。 最初提出p c f 概念的时候，希望利用光子禁带效应来导光。如图( 2 8a ) 所示 的p c r 中，在纤芯处引入了一个大空气孔作为缺陷，就会在光子带隙中产生缺陷 态，p c f 就可以利用这个缺陷态沿着光纤方向导光。这种光子晶体光纤利用光子 带隙导光，因此被称作光子带隙光子晶体光纤( p h o t o n i cb a n dg a pp c f ) 。光 子带隙p c f 对空气孔的大小和排列有很高的要求，只有空气孔相当大( 孔直径不 小于孔间距的4 0 ) ，并且空气孔严格按照周期性排列时，光子带隙才会出现。 这种p c f 由于制作困难，没有得到广泛的研究和应用。 图2 8 光子带隙光子晶体光纤截面图 北京邮电大学硕士论文 第二种导光机制可以称为全内反射机制，它与普通光纤的导光方式类似，这 种方式对空气孔排列的精确程度要求较低，也不要求大直径的气孔。中间空气孔 缺失而引起缺陷( 图2 7 ) ，会使中间的缺陷区域和外围的周期性区域出现有效 折射率差，从而将光子局域在高折射率纤芯中( 如s i 0 2 ) ，中间的缺陷相当于 纤芯，而外围的周期性区域相当于包层。这种全反射型的导光机制己经被证实， 它并不依赖干周期性结构产生的光子禁带。在理论上，其他类型的气孔排布也可 以达到同样的功能。因为这种光纤包层含有气孔，与传统实芯s i 0 2 不同，且这 种光子晶体光纤具有一些传统全内反射光纤所不具备的特性，因而又将其叫做改 进的全内反射光子晶体光纤( t o t a l i n t e m a lr e n e c t i o n p c f ，t i f p c f ) 。这种导光 机制的p c f 可以沿用经典的全内反射导光机制，可以用类似普通光纤的方法来分 析，如有效折射率模型，理解起来较为容易，而且不需要精确的空气孔排列，实 现起来相对简单，所以目前大多数的研究和应用都是针对这种类型的p c f 。 2 2 3 光子晶体光纤的特性与应用 光子晶体光纤的结构参数主要有空气孔直径d 、空气孔间距人及二者之比d 八( 称为填充比) ，见图2 9 。研究表明，灵活设计光子晶体光纤的参数，可以 使它具有许多普通光纤不具备的性质，如支持宽波段范围单模传输，模场面积可 控、色散特性可控，易于实现双折射等等。这些特性预示着它将会有广阔的应用 6 ，j - 景，本节将对光子晶体光纤的特性及相关应用作较全面的介绍。 oo o ooo oooo o o o o o oo ooo o 图2 9p c f 截面结构参数d 和人 1 无尽单模传输特性( e n d l e s s l ys i n g l em o d e ) 传统光纤存在截止波长，只有传输波长大于截止波长时，才能实现单模传输。 北京邮电大学硕士论文 光子晶体光纤引人注目的一个特点是，结构合理设计的p c f 具备在3 3 7 n m 至超过 1 5 5 0 n m 波长范围内都支持单模的特性，它的这个特性被称成为无尽的单模特性 ( e n d l e s s l ys i n g l e m o d e ) 。传统阶跃光纤导波模数是由归一化频率v 确定的， j 而在光子晶体光纤中也可以类似定义归一化频率k 仟【5 j ： 一 ，、，、1 ， ? 圪仃= ( 2 乃吒f f 力) 坼三一，2 备， ( 卜3 ) 其中，a 为纤芯半径，2 和即。矿分别为纤芯折射率与包层有效折射率，成行是有 效纤芯半径。对于常规光纤，在v 2 0 4 5 的范围内，光纤为单模。由于材料折 射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的v 值与波长差不多成反比，如果 缩短工作波长，就会出现多模。普通单模光纤的截止波长一般大于1 u m 。对于图 2 2 所示的全内反射光子晶体光纤，在较长波长下工作时，光场分布的边缘扩展 到纤芯附近的气孔区域。如果工作波长缩短，光场向空气孔的渗出就减小，也就 是说光场更集中于纤芯位置，所以包层的有效折射率上升，从而接近于纤芯的折 射率。其结果是，随着波长变短，纤芯和包层的折射率差减小，抵消了普通单模 光纤中当波长减小时出现多模现象的趋势。还可以这样认为，当波长降低到一定i 程度时，模式电场分布基本固定下来，不再依赖于波长，空气孔足够小时，高阶 模的横向有效波长远小于孔间距，高阶模从孔间泄漏出去，圪仟值的波长依存性 减弱，从而可以在更宽的带宽内实现单模工作。根据数值计算【4 引，对于空气孔 按三角分布的全内反射p c f ，当空气孔直径d 与空气孔间距人( 又称跨距) 之比 不大于o 4 1 ，才具备无休止单模传输特性。当这个比值增大时，单模工作的波 长范围逐渐变小，空气孔较大的p c f ，将会与普通光纤一样，在短波长区会出现 多模现象。 单模工作扩展的意义在于，一方面，对普通单模光纤而言，目前正在使用和 开发的c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 m n ) 、l 波段( 1 5 7 0 1 6 2 0 m n ) 和s 波段( 1 4 5 0 1 5 2 0 m n ) 总带 宽只有约1 5 0 m n ，而光子晶体光纤使单模工作波段向短波方向扩展了6 0 0 7 0 0 n m ， 这为波分复用增加信道数提供了充足的资源。另一方面，无尽单模特性与光纤的 绝对尺寸无关，无论光纤尺寸的放大或缩小，仍可保持单模传输。这样的单模传 输特性使光子晶体光纤非常有用。当用于传输高光功率时无须担心出现非线性效 应，这对利用光子晶体光纤制作光放大器和激光器是非常有吸引力的。反之，当 需要强的非线性效应时，通过改变光子晶体光纤的空气孔间距便可调节有效模场 面积，如果在空气孔中填充合适的非线性材料( 例如在空气孔中装载气体或低折 射率液体) ，光子晶体光纤会出现较强的非线性性质，这对诸如r 锄锄器件以及 改善全光开关和四波混频的阈值是很有用的。 2 有效面积可控特性 有效面积是衡量光纤非线性的重要指标。光纤的有效模场面积是光纤设计中 1 9 北京邮电大学硕士论文 的重要参量，它决定了光纤的非线性系数y ，对于研究相关的非线性效应如自相 位调制( s p m ) ，交叉相位调制( x p m ) ，三次谐波产生( 3 h g ) ，四波混频( f 1 】l m ) ，受激 r a m a n 散射( s r s ) 和b r 订l o u i n 散射( s b s ) 等有重要意义。另外有效模场面积还 与光纤的宏弯损耗、数值孔径、融接损耗等有关。 对于传统光纤，通常是通过改变光纤折射率分布来实现较小或较大的有效模 场面积，对工艺的要求较高。而光子晶体光纤的有效面积强烈地依赖于它的结构 参量：空气孔直径和孔间距。由本论文第四章中的分析可知，增大空气孔间距人 或减小气孑l 直径d ，可增大光子晶体光纤的有效面积；反之，可以减小空气孔间 距或增大空气孔直径，可减小光子晶体光纤的有效面积。而且光子晶体光纤的制 作方法可以使我们很容易地改变光子晶体光纤的结构参量如空气孔间距人、空气 孔半径与孔间距的比，从而根据需要实现极高或极低的模场有效面积。 目前的光纤通信系统中，由于采用波分复用技术和掺饵光纤放大器，光纤中 传输的光功率增大，而且1 5 5 0 m 附近过低的色散将会诱发交叉相位调制和四波 混频等材料的非线性现象，虽然可以通过增加有效模