光子晶体光纤中波的传播与演化_图文

1、北京邮电大学硕士学位论文光子晶体光纤中波的传播与演化姓名：王晓静申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：任晓敏20060225北京邮电大学硕士学位论文光子晶体光纤中波的传播与演化摘要本论文的研究工作是围绕国家“”项目课题“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：）、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：）、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：）和北京教委共建项目（项目号：）展开的。光子晶体光纤（巧，）是基于光子晶体技术发展起来的新一代光纤。它具有很多不同于传统光纤的独特性质，如高双折射、无限单模传输、

2、色散高度可控等。它在非线性光学、光电子学等许多领域具有重要的科研价值和广阔的应用前景，光子晶体光纤以及基于光子晶体光纤的光电子器件的研究是目前国际国内的研究热点。论文主要围绕两个方面的内容研究了光波在光子晶体光纤中的传播特性：一、光子晶体光纤中传播的非线性效应；二、是沿有限厚度的二维光子晶体的轴向入射时的光反射谱和透射谱。主要理论和实验研究内容如下：基于薛定鄂方程，利用分步傅立叶方法，研究了脉冲输入功率、脉冲宽度、光纤色散对输出光谱的影响。研究发现：谱的结构对输入功率敏感；自相位调制主导了输出光谱的动态变化；高阶色散特别是三阶色散决定了超连续谱的形状和宽度。利用散射矩阵法；研究了光沿二维光子晶

3、体轴向入射时的反射谱和透射谱。通常情况下，研究二维光子晶体的禁带特性都是建立在二维平面上的，但是这和实际光在中传播的方向情况不尽相同。论文将对平面的二维光子禁带的研究转化成三维情况下对反射谱和透射谱的研究，并讨论了不同的入射角度对反射谱和透射谱的影响。研究结果表明：存在沿轴向入射的光子禁带；不同角度的入射光对主反射谱的影响较小，而对边带影响较大。该研究结果为进一步研究光在空心光子晶体光纤中传播的导光机制奠定了基础。北京邮电大学硕士学位论文与人合作，利用钛宝石激光器实验研究了高非线性、非均匀光子晶体光纤中超连续谱的产生。实验中观察到了红、黄、绿、紫、白等不同颜色的光谱；获得了谱宽超过的超连续。结

4、果分析表明：自相位调制、拉曼散射等光纤非线性效应对超连续谱的产生起主要作用。关键词：光子晶体光纤非线性超连续谱分步傅立叶方法散射矩阵法，一北京邮电大学硕士学位论文乒锄抽（盟锄），曲（目），夕巧丘（）（、），缸。眦仃，锣，抒盯拿，王：唱，饥眦啪曲，印（），锄，曲。仃，北京邮电大学硕士学位论文也；口，赶印培也嘲血；、铲、印谢锄】：，猫够，印，血疵。上返北京邮电大学硕士学位论文声明独创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

5、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：乏睡祈日期：竺！：童：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

6、，适用本授权书。本人签名：。乏喳盈皇日期：垄堕：主：丝，导师签名：第一章绪论弟一早瑁了匕本论文工作是围绕项目课题“基于光子晶体光纤的光电子功能器件的创新与基础研究”（项目编号：）、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：）、教育部重大项目“基于光子晶体光纤的新一代光通信器件及系统”（项目编号：）和北京教委共建项目（项目号：）展开的。在论文的绪论部分，将就本论文的意义、主要内容以及结构作简要的介绍。研究目的和意义我们现在都知道，半导体在我们的生活中充当了重要的角色。利用它的一些区别于导体和绝缘体的特殊的性质，人们制造出了许多的现代固体电子与光电子器件。正如世纪初人们对硅这种半导体

7、材料的懵懂一样，也许在世纪末的时候，你将对光子晶体和光子晶体光纤这些单词耳熟能详。因为，到时从你的书桌上摆着的高速个人电脑（上百甚至上千的运算速度），到快速而便捷的网络设施，都要得益于这些前途光明的新型材料的伟大功劳。以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识，因为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。然而，由于光子不像电子一样易于控制，长期以来，光信息技术仅仅在信息传输（光通信）中得到应用，而且是最基本的信息功能。而信息处理的核心部分则依然依赖于微电子技术。光子晶体（又称光子禁带材料）的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。它被誉为是光信息时代的“半导体”。从材料结构

8、上看，光子晶体【】是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体最基本的特征就是具有光子能带【，在有完全禁带的光子晶体中，落在禁带中的光子是被禁止传播的。光进入光子晶体后由于相互作用（周期的介质引起的微扰作用）使光的模式和频率发生了变化。对于频率较低的模式，微扰使其频率越低；对于频率较高的模式，使其频率升高。结果使频率发生突变，出现了不存在的频率（禁带）。众所周知，自发辐射的几率和光子态的数目成正比，当一个原子被放在一个光子晶体里，它的自发辐射频率正好落在光子禁带中，由于该频率光子态的数目为零，自发辐射也会被完全抑制。只要增加该频率的光子态数目，就能增强其自发辐射。原则上

9、人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体光纤（）是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。光子晶体光纤的概念最早由英国大学的【】等人于年提出，年第一次有了相关的实验报道。根据光纤纤芯的状况可以将光子晶体光纤【】分成两大类：实心光子晶体光纤和空心光子晶体光纤。对于目前研究比较广泛的这两种光子晶体光纤的导光机制【】普遍认为：实心光子晶体光纤由于其纤芯的折射率大于包含了空气孔的包层的有效折射率，其导光的机制与传统光纤一样，是全内反射的机制（导光），实心光子晶体光纤也称折射率传导型，因此其包层的空气孔的周期排布也不是必须的；空心光子晶体光纤是在存在光子带隙的二维光子晶

10、体中引入线缺陷，当频率处在光子带隙中的光进入光纤时，由于禁带作用只能在缺陷中传播（导光），导光的机制是禁带导光。空心光子晶体光纤也称为带隙型光子晶体光纤。实际上，包层空气孔的周期排布对导光来说并不是必须的，针对这种情况，近来人们提出了微结构光纤的概念，把包层存在周期和非周期性的微结构的光纤统称为微结构光纤。光子晶体光纤是微结构光纤的一种。光子晶体光纤因为其很多不同于传统光纤的特性而备受瞩目，比如实现无限单模传输、高非线性、大模面积、高双折射等新奇特性【】。对于实心的光子晶体光纤，由于其芯径比普通光纤小很多，光场能被高度局域集中，从而可以极大地提高光纤的非线性效应；另外能够在很宽的谱带范围内支持

11、单模传输并且在可见光波段具有反常色散。这些特性决定了实心光子晶体光纤较传统光纤更容易产生超连续谱拶。¨。对于空心的光子晶体光纤来说，由于光束是在空心中传输的，所以其具有极低的传输损耗，将有利于其在传输中的应用。第一代非线性光学材料只解决了在高功率密度激光的作用下产生光学非线性效应，但相互作用距离很短。传统光纤成为第二代非线性光学介质，它使相互作用距离扩展到几十米，但是光脉冲在光纤中的色散使其脉冲变宽，光功率密度下降。光子晶体光纤既能够保持激光的高功率密度和相互作用长度，又能够保持脉冲宽度不变，成为最理想的第三代非线性光学介质。为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，人们发展了许多

12、理论分析方法，如平面波法【】、时域射线传输法【】、散射矩阵法【、有限时域差分法【】分步傅立叶方法【】等等，这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具。本论文利用分步傅立叶方法研究了光子晶体光纤的非线性传播和超连续谱等特性；其次，为了进一步了解光子晶体光纤的导光机制，利用散射矩阵方法研究了沿有限厚度的二维光子晶体的径向入射时光的反射谱和透射谱特性，以为进一步了解其禁带特定提供依据。并基于上述的理论研究得出了一些有意义的结论：如高阶色散特别是三阶色散决定了超连续谱的形状和宽度；谱结构对输入功率敏感；自相位调制主导了输出光谱的动态变化：不同角度的入射光和不同的介质微结构尺寸等对反射谱和入射谱的影响。此外还

13、对飞秒脉冲在光子晶体光纤中产生超连续谱进行了实验研究，观测了的超连续谱随着入纤功率变化的情况，并对实验现象在理论上进行了初步的解释。论文的主要工作第二章，介绍了光子晶体的概念，特性和研究发展情况，尤其是论文中主要研究的禁带特性以及计算禁带的几种方法。最后简单介绍了光子晶体的应用领域。第三章，对光子晶体光纤作较详细的介绍，包括的概念、分类、制作方法、特性和应用等，着重介绍了其色散特性和自相位调制、自陡效应、四波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性效应以及超连续谱的产生，并将计算非线性效应常用的方法进行了比较。之后简单介绍了非线性效应的应用。第四章，首先是论文采用的分析非线性的方法分步傅立叶

14、方法的详细阐述；随后模拟了飞秒脉冲在光子晶体光纤中非线性传输和超连续谱的产生。讨论了影响输出频谱的主要因素，如输出功率、输入脉冲宽度以及色散等因素。第五章，首先介绍了研究光沿有限厚度的二维光子晶体结构的轴向入射的反射谱和透射谱特性所使用的散射矩阵方法。然后对理论模拟的结果进行了讨论，包括入射角度和介质微结构对谱特性的影响。在第六章将介绍利用飞秒脉冲在光子晶体光纤中产生超连续谱的实验。以下，我们将逐章对这些工作进行详细介绍。北京邮电大学硕士学位论文第二章光子晶体弟一早尢丁阴令众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开！始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千

15、变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。光子晶体的概念光子晶体（巧，简称）的概念最初是从控制光的自发辐射的角度被提出来的。光的自发辐射是激发态原子跃迁至低能级，并以光辐射的形式释放能量的一种自然现象。自发辐射、受激辐射和吸收是同时存在的，对于光发射或光探测器件而言，自发辐射非常重要。年，【】指出，折射率在三维空间以半个波长为周期的变化，会导致在波长附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就象晶体中的电子具有能量禁带一样。光子晶体是不同介电

16、常数的材料周期排列构成的人工微结构电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子禁带。（）一维光子晶体结构图（）正方型晶格二维光子晶体结构图（）制作的三维光子晶体图光子晶体的三种结构北京邮电大学硕士学位论文光子晶体的基本特性是就是禁带特性【】。光子晶体按其空间结构分为一维、二维、三维三种。如图所示。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向；如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。光子晶体的另一个主要特征是可以实现光子局域【

17、】。当光子晶体无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是，一旦晶体原有的对称性遭到破坏，即有了缺陷，在光子晶体的禁带中就可能出现频宽极窄的缺陷态或局域态。局域态的性质将由缺陷的参数决定，局域态光子的强度以缺陷中心为最大，随着与缺陷中心距离的增大而迅速衰减。另外年提出：在一种由无序介电材料组成的晶格中，光子也可能呈现出很强的局域，称为局域。如果在光子晶体中引人某种程度的缺陷，则和缺陷态频率相吻合的光子有可能被局限在缺陷位置【训，一旦其偏离缺陷处，光就迅速衰减光子。局域态的形状和特性由缺陷的属性来决定：点缺陷就像被全反射墙包围起来，利用点缺陷可以将光俘获在特定的位置，光无法从这

18、个位置向任何方向传播，形成一个光能量密度的共振场，相当于微腔；线缺陷的行为类似波导管，只能沿线缺陷方向传播；平面缺陷像个完善的反射镜，光被局域在缺陷平面上。论文主要研究的是二维光子晶体，即在两个维度上，介质的折射率具有周期性（比如，平面的两个方向），另个方向（方向）折射率不发生变化。因为光子晶体光纤本质上就是这种晶体在一定程度上的存在的缺陷。二维光子晶体的对称结构也分多种，如等边三角形结构，六角型结构和四方结构。论文的重点研究是相对简单的正方型结构。光子晶体禁带的研究方法在早期，人们发现标量波动方程研究光子能带的方法是错误之后，开始采用矢量波方法，与实验符合得很好能带的理论研究在年代中期也基本

19、完善。主要的计算方法有：平面波展开法【啦（）平面波展开法应用布洛赫定理，把电磁场分解成一个平面波和一个周期函数的乘积形式，周期函数的周期就是晶格周期，它又可以展成倒格失的平面波叠加，最终把麦克斯韦方程组化成一个本征方程，求解本征值得到光子的本征频率。这种方法的优点是思路清晰，对不同的结构只是介电常数倒数的傅立叶变换不同，其它都一样，有利于计算机编程；这种方法也有明显的缺点：计算量与平面波的波数有关，几乎正比于所用波数的平方，对某些情况显得无能为力，如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，需要大量的平面波，可能因为计算能力的限北京邮电大学硕士学位论文制而不能计算或者计算不准确。如果介电常数不是

20、恒定值而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，而且有可能在展开中出现发散，导致根本无法求解。对于存在缺陷的有限周期结构，可以采用平面波展开结合“超晶胞”法求解，但这需要更大量的平面波，计算量急剧增大。时域有限差分法（）有限差分法的基本原理是将一个单位原胞分成许多网状小格，列出网上每个节点的有限差分方程，利用布里渊区边界的周期条件，将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程。将麦氏方程在直角坐标系中展开成标量场分量的方程组，然后用二阶精度的数值差商代替微商，将连续的空间和时间问题离散化，得到标量场分量的差分方程组。这就是通常说的网格法。方法能很直观的给出光在光子晶体中的传输行为，精度也较高，可

21、以处理任何形状的光子晶体。转移矩阵方法【】。转移矩阵法（传输矩阵）是把磁场在实空间格点位置展开，将麦克斯韦方程化成转移矩阵形式，同样变成求解本征值问题。转移矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效，由：于转移矩阵小，矩阵元少，计算量较和要小得多，只与实空间格点数的平方成正比，精确度也非常好。而且还可以计算反射系数及透射系数。但是对于结构复杂的物体来说，转移矩阵变得相当庞大，计算量也急剧增大，因此也显得

22、有点无能为力。这三种最为常用的光子晶体理论分析方法。还包括如多重散射法、格林函数求解法、平均场分析法、有限差分法和紧束缚法等其他多种光子晶体理论计算方法，这些方法各有其优缺点。论文采用的散射矩阵方法，与转移矩阵法是相同的原理，只在定义输入和输出矩阵时有所区别。散射矩阵较转移矩阵（传输矩阵）又有所改进，后面的章节将详细描述。平面波展开法只限于研究二维平面，方法可以扩展到三维，但是计算量将相当庞大。为研究禁带导光机制而计算反射谱和透射谱，选择了散射矩阵方法。光子晶体的应用光子晶体的发现，提供了一种全新的控制光子传播的机制。其特性决定了光子晶体有着广泛的应用潜力。利用光子晶体我们可以制造出光通信中所

23、用到的各种器件：光子晶体光纤、微谐振腔、品质优良的滤波器、集成光路等。北京邮电大学硕士学位论文光子晶体光纤从端面看，光子晶体光纤就是中心存在缺陷态的二维光子晶体结构，光可以沿着缺陷态在光纤中传输。光子晶体光纤较普通光纤有着不可比拟的优越特性。下一章将重点讨论光子晶体光纤的这些特性以及应用。微谐振腔传统的谐振腔的制作方法用于制造微谐振腔是相当困难的，而且在光波段传统金属谐振腔的损耗相当大，品质因数很低。采用光子晶体可以制造出品质因数很高的微谐振腔。在一种层堆积的三维光予晶体中引入线缺陷态便可以构造出一个微谐振腔，这种微谐振腔的值随着光子晶体的层数的增加而呈指数增长，当光子晶体的层数不是很大时，值

24、也可以超过。如果用这种微谐振腔作为激光器的谐振腔，使激光器中的自发辐射频率落在光子晶体的禁带范围内，就可以有效降低激光振荡的阈值，从而做出低阈值高效的激光器利用这个原理同样可以用来制作高效率的发光二极管。滤波器利用光子晶体的带隙特点可以实现对光波优良的滤波性能。光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频（几乎为）直到红外的宽带滤波。在光子晶体中引入缺陷态能制造一些可以“通过的窗口”，这样频率落在带隙中的一些光可以几乎没有损耗地通过。这一特性可用来制造高品质极窄带的滤波器，对于发展超高密度波分复用光通信技术和超高精度光学信息测量仪器具有重要应用价值。集成光路将光子晶体用来制作集成光路是人们

25、最给予厚望的。光子晶体中的缺陷态就像电子半导体中的掺杂，使光子晶体具有很多的功能，通过组合这些功能我们可以在光子晶体上构造出适合需求的集成光路。但最终制作集成光路还必须满足：）能在光波长区域内构造完全的光子禁带；。）能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态；）可以引入有效的发光元件；）需要具有导电性的晶体。光子晶体优良的特性，及其在光电子领域巨大的应用潜力，必将推动光通信技术的飞速发展。目前光子晶体正处于深入研究和应用推广阶段，许多美好的设想即将成为现实，我们将在该领域进行大量的研究工作。西毒北京邮皂太学硕士学位论文：譬；第三章光子晶体光纤帚二早尢丁丽侔尢十现代的工业是以信息技术为先导，也是最

26、大的产业。世纪的信息技术，以微电子学为基础。微电子学的发展，促进了信息技术的发展，它的关键技术是晶体管等电子器件。随着用来传递和处理信息的互联网的膨胀，电子器件的速度瓶颈越来越明显，光纤技术应运而生。电子互联网就相当于一个羊肠小道，而光纤互联网就像是一个信息的高速公路。丽作为基于光子晶体技术发展起来的下一代传输光纤一光子晶体光纤，近年来成为研究的热点。光子晶体光纤的发展和概述光子晶体光纤（）的先锋是英国大学的【】先生，年等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（）的概念。年，英国南安普顿大学的等人研制出世界上第一根【】，之后在光纤通信和光学研究领域中，引起了全世界的普遍兴趣。光子晶体光纤

27、在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，类似于晶体中的晶格，这也是光子晶体名称的由来。就结构而言，光子晶体光纤可以分为实心光子晶体光纤和空心光子晶体光纤，（如图所示）。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。两种光纤的导光机理也不同，分别是全内反射型导光和光子能隙型导光。折射率导光机理：实心光子晶体光纤由于其纤芯的折射率大于包含了空气孔的包层的有效

28、折射率，其导光的机制与传统光纤一样，是全内反射的机制（瓜导光）。但与常规光纤有所不同，由于包层包含空气，这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。最初提出概念的时候，希望利用效应来导光，导光机理：空心光子晶体光纤是在存在光子带隙的二维光子晶体中引入线缺陷，当频率处在光子带隙中的光进入光纤时，由于禁带作用，利用这个局域态沿着光纤方向导光。由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用效应来导光。但是在某些特殊的光子晶体光纤中，两种导光机制是同时存在的。此外，的研究者把金属性反射镜和介质反射镜的优点结合在一起，研制出了

29、一种新型的空心光子晶体光纤：全方向波导光纤。这种光纤的包层只在径向存在周期结构，如图（）所示，它被看成一维光子晶体光纤。北京邮电大学硕士学位论文（）型光子晶体光纤】（）型光子晶体光纤【光子晶体光纤的制作（）全方向波导光纤图一光子晶体光纤由于光子晶体光纤能够产生许多普通光纤无法产生的全新的光学现象，具有极大的应用价值，所以自从问世时以来，引起世界各地的相关科研机构的极大重视，而光子晶体光纤的制作是研究和发展的基础和关键，因而显得尤为重要。光子晶体光纤的制造与普通光纤的制造一样，也是先作光纤预制棒，然后将预制棒在拉丝塔中拉制成所要求的光纤，最后再将拉好的光纤涂敷保护层以增强其机械强度和抗腐蚀性，这

30、样制成的光子晶体光纤与普通光纤一样可以切割、熔接，尺寸上也可以与普通光纤相同。拉丝设备就是拉制普通光纤的拉丝机，对不同结构的光子晶体光纤应仔细设定不同温度以保证结构形状不变形。与制作普通光纤不同的是：光子晶体光纤预制棒的制作方法与普通光纤预制棒的制作方法是完全不同的。目前制作光子晶体光纤预制棒的主要方法有毛细管堆积法【、溶胶凝胶浇铸法鲫和钻孔法【等，采用何种方法制作预制棒要综合考虑材料成本、制作或装配的难易、改变光纤结构参量的灵活性、精确程度以及制作过程引入的污染等因素。冀：、：？北京邮电大学硕士学位论文毛细管堆积拉丝法是制作光子晶体光纤最常用的方法，工艺比较成熟，通过这种方法制造的预制棒可以

31、非常灵活地改变纤芯的尺寸和形状以控制包层区域的折射率分布。从目前的报道来看，光子晶体光纤大都是通过堆积法拉制的。其基本步骤为：（）用普通光纤预制棒的生产设备，采用法、诘或法等成熟的方法制出一定数量的中空石英管或实心石英捧，对中空石英管，其直径和壁厚将决定最后拉制出的的填充比。（）按照预先设计的结构在一定尺寸的石英套管内排入石英管作为包层，中心用石英棒或抽去几根石英管作为纤芯，如果周期结构的单元是六角形空心管，则需先将石英管外壁磨成六角形状，抛光后拉细斩断后堆积成蜂窝状（）将预制棒在拉丝塔中熔融拉制成外径为毫米量级的中间预制棒（）将中间预制棒套上石英管，继续在拉丝塔中拉制成所要求外径和结构参量的

32、最终。溶胶凝胶浇铸法最初用来制作高精度多包层光子晶体光纤预制棒：现也用来制作一般。利用该法制作的基本过程为（）制作模具，模具为空心园桶，桶内要形成空气孔的位置上是心轴。（）向模具中充入熔融胶状高值石英，然后降低石英的值，使石英凝固。（）去掉心轴，在凝胶状石英中形成空气孔。（）对前面作的带空气孔的石英凝胶进行热化学处理，以去除水和其它杂质。（）将提纯后的预制棒烧结成玻璃并在拉丝塔中拉制成所要求的光纤。与毛细管堆积法相比，溶胶凝胶浇铸法有很多优点：首先，该方法空气孔的布置非常灵活，可独立地改变空气孔的大小、位置和形状，因而可制作的范围广。其次，用毛细管堆积法制作的在空气孔间容易产生不希望的微孔，这

33、会使光纤结构发生畸变，而溶胶凝胶浇铸法则不会产生这个问题，如图所示。再次，由于凝胶石英是多孔的，在制作预制棒过程中引入的杂质很容易采用标准的溶胶凝胶纯化工艺去除，而毛细管堆积法在制造预制棒时要对毛细管、玻璃棒、套管等进行组装、粘接等处理过程，存在潜在污染。因此溶胶凝胶浇铸法制造预制棒工艺，是更清洁的制造技术，更有利于获得低的损耗。在年月报道用溶胶凝胶浇铸法制造的在岫的损耗约为胁，在岬的损耗约为，仅为毛细管堆积法最好值的。最后，由于采用模具和浇铸的方法，降低了装配时间，便于规模生产，因此有望极大地降低生产成本。一光子晶体光纤的特性光子晶体光纤的结构特点决定了它具有许多普通光纤不具备的性质，如支持

34、宽波长范围单模传输，模场面积、色散的极大可控性，易于实现双折射等等。北京邮电大学硕士学位论文这些特性预示着它将会有广阔的应用前景。无截止单模（培）传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于，只要其空气孔径与孔间距之比小于，无论什么波长都能单模传输，似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。美国贝尔实验室的研究结果表明【掣，光子晶体光纤可以在范围内保持单模传输。小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线性。这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器（利用高

35、非线性光纤），低非线性通信用光纤，高光功率传输。不同寻常的色度色散、真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。如零色散波长可移到短波长，从而导致在实现光弧子传输；具有优良性质的色散平坦光纤（数百带宽范围接近零色散）；各种非线性器件以及色散补偿光纤（可达）都应运而生。极好的非线性效应光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。然而，在光子能隙导光中，我们可以通过增加纤芯空气孔直径（即的有效面积）来降低单位

36、有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的奠定了技术基础。优良的双折射效应对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。虽然传统光纤具有一些像小扭转、弯曲，拉伸等不可控的双折射，但一般不支持偏振模。要取得双折射的方式有两种：一是使截面为非圆形；二是使光纤材料具有双折射，这两种方式在技术上都较难实现。在中，只需要破坏剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率保偏光纤。图是英国大学的产品【。设计结构为人“，岬，光

37、纤外包层直径，测量结果表明姗的拍长为士，双折射为一。北京邮电大学硕士学位论文图大学的高双折射光予晶体光纤图叫公司的高双折射光子晶体光纤图是丹麦理工学院通信光学与材料研究中心和丹麦巧公司的产品。主要参数为双折射一，零色散波长为。色散特性当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与光波频率缈有关，使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽，这一效应称作“光纤的色散”。光脉冲展宽的现象，其根本原因是由于不同的频率分量和偏振模式有不同的群速度或群时延。具有轴对称性的单模光纤，其色散主要有材料色散和波导色散，另外还存在由于相对折射率差随波长变化而引起的剖面色散，它通常较小，但在追求零色散光纤时，此项

38、必须考虑进去。传输常数历是描述光纤传输特性最基本的参数，由厦就可以求出单模光子晶体光纤的总色散特性。在包层空气填充率较小时，光纤纤芯与包层的相对折射率差较小，符合弱导近似，即所谓的标量近似。采用标量近似法可以计算出光纤的导波模式特性。特征方程【】联立，可以得到：广殷（国）尼玎。（国）一（国），（），是纤芯石英材料的折射率，由方程计算得出。方程为包含函数的超越方程，所以得到，随波长变化的数值解。利用最小二乘多项式曲线拟合，可以得到肛（国）。群速度色散（）系数（单位是胁）是：生：堡钡力忍耐（）北京邮电大学硕士学位论文群时延表示包络信号的时延，一。（）一一国光子晶体光纤包层的特殊结构，使其具有独特的

39、可控色散特性，这是普通色散补偿光纤难以实现的。因此光子晶体光纤的色散、色散斜率和线性色散变化范围的管理能力极为突出。短波零色散。普通石英单模光纤的零在波长岬处。如果进一步调整光纤设计参数，该波导色散又可以把移到最小损耗的灿附近。当光波长小于时，石英光纤表现为正常色散，即光脉冲的较高频率分量比较低的频率分量传输得慢。相比之下，当光波长超过咒时，石英光纤表现为反常色散。由于在反常色一散区通过色散和非线性效应之间的平衡，光纤能维持光孤子，使得人们在非线性一效应的研究中对反常色散区特别感兴趣。传统石英光纤在阻的大范围内不存在反常色散，因此极大限制了普通结构的石英光纤的应用。但是包层的特殊结构可以使厶在

40、岬的范围内灵活移动。主要是因为波长相关有效包层折射率的变化：在短波段，模式场仍然被束缚在石英区域，而在长波段，有效包层折射率却降低了。因此，当我们改变孔径和孔间距人的大小时，就可以得到任何值。近零超平坦色散【】多包层的型，可以实现平坦色散，其中包层光纤在阻范围内色散为胁。通过适当调节的包层参数，可以获得低色散和超平坦的。近零平坦色散光纤在波分复用（）光通信系统中有着广泛的应用，能够极大的减小色散补偿压力和成本。极高负色散色散补偿是通过在系统内附加负色散，以抵消传输光纤的累积色散，改善信号质量。如何克服该类色散是当前光纤通信系统的一个研究热点。常规色散补偿光纤（）色散补偿能力不够高，其原因在于纤

41、芯的折射率与包层的折射率净差不够大。由于导波模传播常数的取值范围取决于刀。尼的变化范围，所以较大的折射率比能够获得较大的高色散波长范围。光子晶体光纤由于包层的空气孔分布，使得折射率差有了很大的设计空间。保持包层内空气孑间距不变，而增大空气的填充比就可以增大纤芯和包层之间的折射率差，使得波导色散增大，结果零色散波长可以移至可见光波段。年底，英国大学的科学家首次提出用光子晶体光纤代替来进行色散补偿的想法。毫。“北京邮电犬攀赢圭莩在论文对誊“。北京邮电大学硕士学位论文非线性效应当强度极大的超短光脉冲通过非线性材料后，出射光谱中产生许多新的频率分量，谱宽度远远大于入射光脉冲的谱宽，这就是通常说的超连续

42、谱【。】。光子晶体光纤的超连续谱的产生是一个很复杂的过程，包括了自相位调制（）、交叉相位调（，）、受激拉曼散射（）、受激布里渊散射（）、四波混频（）等多种非线性效应羽。自相位调制（）在时域内，光场较强时，光子晶体光纤的芯子折射率将随光场幅度变化，这种变化又将通过光纤的传输常数转化为光场传输相位随光场幅度变化。因此，随着光场在光纤中的传输，对光场的幅度调制将同时自发地产生对光场的调制。这种现象称为自相位调制，简称。效应并不影响脉冲的形状，但产生了随脉冲变化的相位调制因子。也导致了脉冲啁啾效应，是脉冲的不同部位具有与中心频率不同的偏移量。的频率偏移将随着传输距离的增大而不断增大，脉冲传输过程中将不

43、断产生出新糍的频率成分。因此最大的作用就是使频谱加宽，从而产生更窄的脉冲。光脉冲传输时，要考虑和的共同作用。其相互作用将产生新的现象。在反常色散区，导致光孤子的产生：正常色散区，导致了在脉冲压缩方面的应用。自陡效应自陡效应是群速度对光强的依赖关系造成的。它对的影响最先是在液态非线性介质中讨论的，后来才扩展到脉冲在光纤中的传输情形。自陡效应导致了超短脉冲展宽频谱的不对称性，红移峰较蓝移峰有较大的峰幅；蓝侧较红侧有更大的导致的频谱展宽。交叉相位调制（蛐当两个或多个不同频率的光脉冲在非线性光子晶体光纤中传输时，每一个频率的光波的幅度调制将引起光纤折射率的相应变化，而其他频率的光也会感受到这种变化，从

44、而对这些光波将产生非线性相位调制，这一现象被称为交叉相位调制，简称。四波混频（）四波混频是介质中四个光波相互作用所引起的非线性光学现象，起因于介质的三阶非线性极化。四波混频的相互作用方式一般分成如下图的三类：（）三个泵浦场的作用情况在这种情况下，作用的光波频率为，：，得到的信号光波频率为国，这是最一般的三阶非线性效应。弋，陋酬图卜四波混频中三种作用方式（）输出光与一个输入光具有相同模式的情况在这种情况下，例如输入信号光为，。缈，国，则由于三阶非线性相互作用的结果，将获得增益或衰减。（）后向参量放大和振荡两个强波作为泵浦光场，而两个反向传播的弱波得到放大。这与二阶非线性过程中的参量放大相似，其差

45、别只是这里是两个而不是一个泵浦光场，两个弱光分别是信号光波和空闲光波。在一定条件下，信号光和空闲光会产生振荡。受激拉曼散射和受激布里渊散射（和）与、等非线性现象不同，还有一类光与介质非线性相互作用的形式，即受激弹性散射，分为受激拉曼散射和受激布里渊散射，简称和。和与前面的非线性效应相比有本质的不同，前一类非线性光学过程不会发生光场和介质之间的能量交换，是在介质中的光子之间发生能量和动量的转移。而受激弹性散射过程则起源于光场和介质振动态（声子）之间的相互作用，是光子和声子之间发生的能量和动量交换。在任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分入射功率由一光束转移到另一个频率下移的光束中，频率下移量由介

46、质的振动模式决定，此过程就称为拉曼效应。入射光称为泵浦光，产生的光称为斯托克斯光。拉曼阈值定义为输出的斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时的入射泵浦功率。一旦达到拉曼阈值，功率迅速由泵浦光转移给斯托克斯光，而且理论上，不计光纤损耗时，是完全转移的。产生的斯托克斯谱为分立谱，即拉曼散射光子位于某特定的频率上。这一特性被广泛应用在分子振动能级的研究上。是一种在光纤内发生的非线性过程。起源于入射光与介质中的声学声子的相互作用。在这种相互作用中，一个泵浦光子被湮灭，同时产生一个声学声子和一个散射的斯托克斯光子。所需要的入射功率远小于所要求的泵浦水平。一旦达到阈值，把绝大部分输入功率转换成后向斯托克斯波。对

47、光通信有害，但是利用它，可以制作光纤布里渊激光器和放大器。超连续谱莱超连续光谱产生是指激光脉冲在非线性介质中传输时光谱急剧加宽的一种物理现象。其产生机理将在最后一章实验中详细介绍。它是一种获得高重复率、多波长的超短光脉冲源有效的方法，它能在很宽的光谱范围内同时产生多路波长超短光脉冲，在高速、大容量光纤通信中有重要应用。传统光纤主要依赖自相位调制效应产生在中心频率两侧对称分布的钟形超连续光谱，而在光子晶体光纤中自相位调制、高阶孤子、群速度色散、三阶色散、四波混频、交叉相位调制、双折射以及自陡峭等诸多效应对超连续光谱的形成都有贡献。光子晶体光纤非线性的研究及应用非线性的研究方法光子晶体光纤中光脉冲的非线性色散传播可以用非线性薛定鄂方程（简称方程）来描述，这是脉冲传播的基本方程。后面章节将对方程构成作详细介绍。方程是非线性偏微分方程，一般情况下不适合解析求解。大多数情况下采用数值方法求解。主要分为两大类数值方法：有限差分法和伪频谱法。一般来说，伪频谱法较有限差分