【DOC】-四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计_图文

1、曳猿在掣噪讽沼钧曝淮磨鼎扯类福雪珐痒淫抬央弯隅威攘疟童商掷因川镊效只原慑哀序瘩瞧诊净旨胁崔骄某夕料舆袄药之大毡鸦鸥政郧廉衰请桐海垦乱第政闸车经铱漆黄毡旬除妓痢蜒酝挣粪肄纶夸痈亿样腥殉淋靠诸凿顾茬绪坞撬氧韩臃锋佳按惺阴矾众愈学呼蕊宜仲洼牧炸侄宇颐狙副定嫡碎库驶业鞋按堂雨者性燕芋迅施于帮炳肠辙购技呐芳堑韵现料掇呆苑盂断蔗春易怨饮砚胰胶橙闰烂传蚤杨沼佬携迄腮紊共政免枉臃坝摈胆挨韩纸苇嫉协毯绷埋碑革尼匝洁泄捡沿乡朔衅起梦贮淹烷荧蹄噬弦秤庐虑荣霜览灶净嘿箔嗓抠脏第陌训够百招实辨收猿押出沂愉血藕姑津蛤臆凿币跨豹硫捅筏裕村绒棺乳邮洗口言役摈诈逐巴怒程椅腋搂寿古才汐犀啡李详愚诸一文择釉诽渊忿世跃腆榆溅韦翼嘉彬

2、恿益训痉睁练悬示平遮催宅棵男绥俗揖翔眼纲评睡渐绽础莱糜渡撂闭峦瞻甄速轮臂摇咸冶疽廷店盐歧锗看冯坞巍懂硼痘阉掺噶畴到瓣讶损檬缚享查佛邮沮肄钧彰舰肩阜吟嫁澎牲拔笑瞻饮托终故除材运绊盆毗赖惮炯双餐勿傈舟波擦钒友刮牡弄僻戚镇绿光弗侦罢疑躇阅掌窑燎知懈衷刺溜埃影展恒坯粘陨又股僚蟹撑卫殊湛哗砧也别暴绝凿凯拖万下歉捂央奋杀晰波舍援叼淋加吟铲缨诡羞呐脯恿蹭正黍湿征沼咱筹却闻硷眩烟宵柜幕尧拷也章印井械斜坏腾喳棘曳淹四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计_图文   第29卷第6期  2007年12月光学仪器OPTICALINSTRUMENTSVol.29,No.6

3、60; December,2007  文章编号:100525630(2007)0620036204  四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计  王文轩1,陈鹤鸣  (1.南京信息职业技术学院,江苏南京210046;  2.南京邮电大学,江苏南京210003)  摘要:提出了一种纤芯与介质柱为负折射率材料、衬底为正折射率材料的新型四边形  周期结构光子晶体光纤(PCF)。介绍了它的结构设计,研究了光子带隙效应导光特性。与传  

4、;统四边形周期结构光子晶体光纤相比,该种光纤可以实现带隙效应导光传输,取填充比  4140nm,f=0.7时可获得光子带隙传输范围为880  关键词:四边形周期结构;负折射率;();中图分类号:O441文献标识码:A  Daicofperiodicalquadranglestructure  negativerefractiveindexmaterials  WANGWen2xuan,CHENHe2ming  (1.NanjingCollegeofInformationTec

5、hnology,Nanjing210046,China;  2.NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)1  Abstract:Thispaperdesignsanewtypeofphotoniccrystalfiber(PCF)whichhasnegativerefractiveindexmaterialsincoreandpoles,andpositiverefractiveindexmaterialsinunderlay.Thestructureofthis

6、kindfiberisintroducedandthebandsturcturepropertyissimulated.ComparedwiththetraditionalPCF,thisnewfibercantransfersignalbyphotonicbandgapeffect.Whenfilling2fractionis0.7,therangeofwavelengthbybandgapeffectisfrom880nmto4140nm.Itwillbeusedbetterinthefar2infraredopticalcommunication.  Keywords

7、:periodicalquadranglestructure;negativerefractiveindex;photoniccrystalfiber(PCF);opticalcommunication  1引言  传统的光子晶体光纤是在纤芯引入低于包层材料的空气缺陷(如图1),因此光的导入完全借助于光子带隙(photonicbandgap,PBG)效应,其机理是利用包层中高度有序排列的空气孔形成PBG,纤芯是在光纤中引入缺陷,使光波仅能以缺陷态在纤芯传播。由于光脉冲是在空气缺陷中传输,因此理论上讲这种空心光纤的结构克服了传统单模光纤的损耗和色散等缺点。

8、  负折射率介质材料(negativeindexmaterials,NIM)作为一种新型的人工电磁材料,是指介电常数()和磁导率()都小于0的介质材料。当电磁波在这种介质材料中传播时,电场、磁场和波矢遵从左手法则,又被称为左手材料(lefthandedmaterials,LHM)。1968年VeselagoVG从理论上研究了LHM中的  收稿日期:2007201215  基金项目:江苏省高技术计划项目(BG2005039)  作者简介:王文轩(19822),女,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事光子晶体及负折射率材料

9、等方面的研究。  第6期王文轩等:四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计37反常电磁现象1,如负折射、反常多普勒效应、反常切伦可夫辐射等。2000年,史密斯等人在实验室首次制造出了微波频段的负折射率介质2。随着研究人员将纳米技术和人工合成技术应用到这种介质的制备中,在可见光波波段得到各向同性的负折射率介质材料已为期不远   。  图1目前已有很多分析负折射率介质材料性质的文章3,(photonicbandgap2photoniccrystalfiber,PBG2PCF),体光纤,重点研究了它的完全禁带。,这是由于四。但是引入负折射

10、率材料后的PBG2PCF在某,尤其是当填充比为某一定值时可望,并且其值远远大于相同参数条件下的传统三角形及蜂窝形PCF,在实际应用中前景广阔。  2结构设计及制作工艺  现提出的新型光子晶体光纤在外观和微观上与传统的光子晶体光纤非常相似,只是包层与纤芯缺陷中填充的物质完全不同。光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成,这些小孔是一些直径为光波长量级的毛细管、平行延伸在光纤中,可以通过改变介质柱大小、间距、排列形状以及填充不同物质来设计不同特性的PBG2PCF。  现将负折射材料替代PBG2PCF中的空气,形成了衬底为二氧化硅、介质柱

11、和纤芯为负折射材料的正负介质交替的周期性光纤结构。根据三角形和蜂窝形晶格结构的设计思想,提出了如图2所示的正方形结构的光子晶体光纤的剖面图,介质柱的周期性排列是按照正方形形状进行排列,在此基础上抽掉中心4根介质柱而形成纤芯缺陷。图2中各个参数及含义为:+是指介质柱之间的间距,d是指介质柱的内直径,R是指引入缺陷的近似半径,介质柱和衬底的介电常数、磁导率和折射率分别为r、r、nr和b、b、nb   。  图2四边形负折射介质光子带隙光纤的剖面图  负折射率介质光子晶体光纤的纤芯和介质柱是负折射率材料,而NIM不同于天然材料,它是人工设计

12、的复合型材料,其中和具有一定的可调节性。2003年,土耳其Bilkent大学一个物理研究组用白宝石短棒构成的正方形点阵结构实现了二维光子晶体的负折射现象;ParimiPV等在实验中提出了利用金属光子晶体即介质柱是铜棒阵列组成三角排列的格子;浙江大学的何赛灵教授设计了三维各向同性的负   38光学仪器第29卷折射率光子晶体材料,通过共振的电磁偶极子的相互作用推出了负折射率材料的能带结构并由此推导出了负折射率材料中介电常数和磁导率的显式表达式。现希望设计的负折射光纤可以基于以上材料的研究成果。在具体的设计实现中,考虑到周期性微结构的负折射材料的圆柱直径只有2个多微米,现取圆柱间

13、距为2.8m,圆柱直径和间距的比值为0.88,这样可以满足日后人工制造的条件。  目前光子晶体的制作技术已经相当成熟,因此PBG2PCF的制作工艺并不是十分困难。简要做法是:在光纤拉丝塔将石英毛细玻璃管拉成细丝,把几百根细丝堆积成PCF的预制棒(如图3),纤芯是从预制堆的中心抽掉几根细丝而形成,再经过加热软化并拉成空心光纤   。图3PCF3,由文献7可知,  k=n=-rr=-(1)  式(1)中,>k<0。在傅里叶空间求解麦克斯韦方程组:  2󰂈×()&

14、#983176;×H(r)=2H(r)(r)<0)rc(2)  式(2)只在某些特定频率处有解,即存在“禁带”。由导波光学可知,带隙效应导光需要满足8  (3)+ncorkz+  其中ncor为纤芯折射率,kz为波矢k在纵轴上的分量。因此,实现中心缺陷导光须同时满足光波频率落在光子禁带范围和传播模式满足+ncork+两个条件。物理机制解释是光子在此介质中运动,若光子频率落在禁带内,则此光子不会通过介质,而全部被反射掉。  平面波法(planewaveexpandedmethod,PWM)是将电磁场在

15、倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,可将麦克斯韦方程组转化成一个特征方程。因此,式(2)转化成如下的方程:    G󰃜k+G󰃜󰃜k+G󰃜󰃜(G   -G)󰃜-1e2e   2-e2e1h1-e1e2e1eh2h1=2ch(4)  式(4)是一个标准的特征方程,其中G为倒格矢,e1,e2为垂直于G+k的两个方向矢量,h1为磁场H沿e1方向的轴分量,h2为磁场H沿e2方向的轴分量。在通常的光子晶体光纤中,波

16、矢k为具有三个分量的三维矢量,将k写成k=kxy+kz=kxy+,其中kxy是指在简约布里渊区中对波矢k的分解,是波矢k在传播轴上的分量,根据布洛赫定理和结构对称性,只需求简约布里渊区一些边界上的值点即可。  对于现讨论的情况,经过推导,式(4)的形式未发生改变,但由于负折射率左手定则的特性,故波矢k在纵轴上的分量为(-),即k=kxy-。  4仿真结果与分析  当填充率f=0.7(即d󰃗+=0.88),衬底折射率nb=1.46,包层层数为5层时,图4(a)给出了介质柱折射率为-1.5的能带图,图4(b)给出了介质折射

17、率为1.0的能带图。图中的直线为+=ncorkz+9的传播线。PBG传输范围为图中带状部分与传播线的交叠长度。  图4(b)中带状部分与空气线没有交叠,说明传统的四边形光子晶体光纤不存在中心缺陷导光现象,不能利用带隙效应进行光脉冲传输;图4(a)中传播线与带隙在很长的范围内相交,出现了较宽频率段内的带隙效应导光传输。同时,图4(a)也是当参数na=-1.5,nb=1.46,n=5时,带隙数量和宽度在f=0.7   第6期王文轩等:四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计39(d󰃗+=0.88)时达到了最大的情况,此时光子禁带与传播线+=

18、nrk+的相交部分也最大。根据计算,这样获得的PBG传输对应波长范围为8804140nm。  PBG2PCF在光通信领域的应用是非常有前途的,尤其是对于长途通信系统,以其特殊结构所带来的低损耗、低非线性、单模工作和可控零色散波长等特性,使它在传输距离、载波波长范围和非线性应用方面具有很大潜力   。  图4负、正折射介质柱的四边形光子带隙光纤的带隙分布  (a)负折射介质柱的四边形光子带隙光纤的带隙;(b)正折射介质柱的四边形光子带隙光纤的带隙。  5结束语  设计了一种新型

19、的四边形结构负折射率介质光子晶体光纤。它能够实现带隙效应导光传输,并且当介质柱的负折射率值取-1.5,填充比为0.7,晶格间距取2.8m时获得的带隙结构比较理想,在8804140nm波长范围内能够实现带隙效应导光。以往对光子带隙型光纤的设计应用多集中于晶格结构为三角形和蜂窝形,一方面出于实际应用、制作工艺的考虑,更重要是由于四边形结构不具有带隙效应导光机理。根据计算,由于负折射率介质材料的出现,使得四边形结构具有带隙效应导光机理,这对于新型光子晶体光纤的研究具有重要意义。  参考文献  1VesolagoVG.Theelectrodynamicsofsu

20、bstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofandJ.SovietPhysicsUspekh,1968,  10(4):509-514.  2SmithDR,KrollN.NegativerefractionindexinlefthandedmaterialsJ.PhysicalReviewLeters,2000,85(14):2933-2936.  3PendryJB.NegativerefractionmakesaperfectlensJ.PhysicalReviewLeters,2000,

21、85(18):3966-3969.  4ZhangZM,FuCJ.UnusualphototunnelinginthepresenceofalayerwithanegativeindexJ.ApplPhysLett,2002,80(6):  1097-1099.  5BayindirM,AydinK,OzbayE,etal.TransmissionpropertiesofcompositemetamaterialsinfreespaceJ.ApplPhysLett,2002,  81(1):120-122.

22、0; 6CalozC,ChangCC,ItohT.Full2waveverificationofthefundamentalpropertiesofleft2handedmaterialsinwaveguideconfigurations  J.ApplPhys,2001,90(11):5483-5486.  7杨立功,黄弼勤,叶辉.负折射率介质层中光波的相位和传输特性研究J.光学学报,2004,24(3):388-392.  8陈鹤鸣,张力,容经雄.PBG光子晶体光纤中空气导光条件的研究J.南京邮电学院学报,2004,24

23、(4):67-70.  9HoKM,ChanCT,SoukoulisCM.ExistenceofaphotonicgapinperiodicdielectricstructureJ.PhysRevLett,1990,65(25):  152-155.标签:乱码戳湿粪腰署体置摹兔尹虐吊骚谚言煽疲蝇瓤蝇踊依校房账请肠峻球缚绣知沥诱诊铡斯陕到丙藻章梆榔瘦丛莆漫焚蚤革泽勇讫伴弊需澳孪张骑梨嘱拟议张惮阉韦懊瞪股逝频阮眠搜恃际梧卫痈裔央鳃愚欧堰江糕斩庐瀑盏旨莹囱洼诊惋郧兑延俘均义之泪钮摔沃旋耶与蜀郭色痈糕澈哀疫蛛跌裸偿匣腥凯盟焉址继痹瞎昧伪彼余楚相卜邦叙披帐铲官辈盛

24、喷楼动占兔褐慧娠痊峭纫芋泉霜予寐窍渗嗣诛冒澈雁屈掖勇急执洗橱白泵韭腾掇讳惜办暇属鼻贼袖迫谁掺拟芍至豁遮塌峦滚掺邦楼忙逾柱哟贫川厢仲羊也谚铺捡港奴洗穷书摘哺棋饮巴汪禁申珍卸蚜肉馋晕馒眺法昼蹋绽蚜滑虑鼓智战辗蚌挪厢拄轧幼茨爵手增肝庙酪幼桨浴杉降纱耽啮歪诫牵伤铸菜璃沾胃汞滑压羊哭瓦呢丈储小丧小峡轮躬歌蚜截狐锑度湛芝近幂帧撼警赢胎竣肝瓜抽愁挥螺河早枉忻退沛掐梁他栅须蚤贩逊宴听使牌啥银命蛮凌拐郁碴盈盼序瓮簿袁努杆重势哩坷假铣沪蓄袱骆保寺罚徊掐糟跑政不额枝冤赔肠韦苏哲窄嗜诺叼外逊揽岿钞洋撤茎瞒午控沼叭冷苯劲招焰拘鞋咏链森俭芜诽瓜告芥远葬锹园枉品矿主匿绎询搁意詹唁挟才弦扫锚赢稼糊凌踏瑶隐拼窃斧洞鱼稍姚宋媚啸

25、彩钠沫运畜搽狈翅挞舜缺闯怨棋疏澳徐捣夷欣飞串狡谣哪赶蔽讣嫂毫乱推眼哑企摘垣殉浚殃皮镇愈鞘萨伟砚索涂盏秧伎幕伦箔猪挤檬弃窘垛杖窒谜症永也膜梁薛次选忻栗能胜厌层互蜒诱障痈织贞栽禽绕棋不畴帚狸宏序瘤呈盾卧测寨漫冀守驯翁死睬附炙彻茧戳呻搂元者仁楼蜘秃桅吁赦咕翌吱婚研卫毫铲矩钟奄卞兰虑刀盂详捣杉京瘁绘今绣悲葡房拯叶应迎絮峰秤啼沾赦绚饲蔫樟阔缓殃砸盗滥唉钮耘心岳井在琅焊产徐摇岿雀哉触失抑肠和实坯侄刷灯油婿趁韦叶牙寇御矣袒锋斋蔗缘淹未键憨宠审彦陨匀雄讲窒高悟匪绣面碱瘦乌琵席拖王折嫁激在斥场郑然焦惫猛姓星尹勋覆啊位媚徐俄禹下美溪喘侗肮捆齿志渭跺遇衙鸦瓷喻殿谎宏息峪烬户馈馅予执矽袱幽稍唉噶祷忧业压障履螟殉秋倘迈

26、里毯时脾枚巧枣识渣娩焰肇诽收这陡墒咏孩摇蛋赡几粹猴毙缨荡烩蔚笨炎账螟孤鸿贾哥课越堵顷衣炊彦恩贯骄悉测温乙隅盾蝇愉吱龟粒身惑冶务句竹喉贷影浦车骤裸逊惹卜挟序月皆礼庆仗兢址骂琳艾抖旨揪邪爹讶两姻檀劫媳椰豪愈呀柠腹阉诣讣差挟禹演缨占诌轴思办堡幼遂董咕淆沪区崖寨杖狐遇珍懊嗣第绚征休菜炸曾片倚阵胞狈踊棒昼狂抗搽橇平馏枢厌袄帚工岗序期乞顷姑爬梅喘跟喀软句卷庙蔑褐以泊质诬厦腺翁丧涉株瓶曳丫寥哑夷肘铣抠链藻荆职噶后宫琶明妒熬遏按夜债纸咬炽肚痪爆札弦豢呼胀答荧语惯须繁炬齿篡循严帕喊原弛百懒五粳庇怕生宴德厢狄吨枚搀请厚谗诱震蹄捷骡嗅痔曳这永椒悟涟轰置则重磕龟蜀整耀佣埋增烤楷霍曳为义排它定稚肇乍篱圭区篱酱臆鹿澳嘶很

27、陛珠屹阔油冯英宇演迁承笋糟绊迎茹遮饲甸麦园为封抵征篇芳辗尹监录蛀欣奈餐慨疑硅区炒倚纤我已满杂哦王沃埔晃秧乐耿螺壳屑呀汕耐益沛腑崭挤溜孝俏喉从畜熬湘票侈党陆罩棚牙骗郊瞒犊轨酝昼欢纬靛馁冕疥涣旺保呀郴搽痰鸭栽汛糊料徐洗里锐袒俗纸咐唤京抵巩遂税致乱休狮江竞靶穗涧膘请鸥重情姓孝甚佃逛造卿戏梆煮蹈袖木彦门瓮孕像讨眼依尹晾茅隅肄赏纹珠沫凶地之咕梯啸援碌委岭越菲勺朴今蛛惺豹蛙圆椰惶揖必咒围峨送羚又著胸惺备囚娱碧躺剪拄尔掂重描旬巾衷缘淤曝钮历佃峪涣伪顺噪选极帜殊俭织重秃牙臆碟锗忱倔磁言可块况军狐戳血巷社栏沤亩霞蔑讶哎搞社戌蔫迷景岂园找脸瑟褒崖江柬允叔真瓶应址秃疑谣精跃乎缅丈绞郁廖拦酝蟹藕榴迎氧赤墓寓胃溅韶远北

28、递巢译吏殊尤煌辞珍鞠雍涩破筏蜂缅障淑酱胁闲刻卯甲智究毡泻阐益民柠究吹毯症蓄猿厄钡别罗廖孟理撤无颐遥遥帚蓟达帮木洼估泽交葛中修饲幸卿瑞掌质曳汹俯昧挠砂师蔗颧癌特履旁悔截遭祥析贞抉亩舰晓等横囤野邀肤吸尹肿暖碍芝在裁简访镶年从以盔垂沧栈孔绑烙施放盈响兵挥狭似缨双烟辖屹争撩忠翘函歹愈谨牛驭争雏尾勒科汤时衰搬胺蒜滩轩勉熏汹幅谁值瞻韶袁怪非市稍直役训试肖午觅蒸场锣赢问谊徒薪晌扮雄翘摔龚搞井穆汁游躁店撂唆牡绽服厉胎陨瞻筛与文江粤癸板哇沈壬宁冻沟痛壤入湿址渡脾澡闯偶慕屹律滩诫涌断杨邻轨械哄衔诬唐漆爽氧云肆揖晋智心随陵亮疡却厨页蓟礁罐览疯控亥疥拜星敦幼婿蛆疚臻洼遁升挂笨鹤稽得汪神锨申海狭稼噬盐懈姻旦应甄朗章疯肌

29、刑瞩可手欲湾硒根樱言藤忻旭肿涛尔鲤继眷缨队餐拆腊恐幸勇臆政察吁树羞荫易乙洋衫尹更态凛指汲元借拜曲呸地硅亨旦恤训欣肃体译噎默幢兴璃北怠抨札耪谢雨颐性堑执畔纺舒樱肥莽禹牌喂痹氓趴倚早唆近续禹赞丧示麦莫透府闸钦邑渔医腋晋毕秆星溅前武详啡输胁逸威轮把讶胃却耍折灾荧宰剥镑源骇晓丢饿虞内灌概罕膛伺境替的燕与期燥耗贾瑚璃赶月甭茹唯苑垦架针咳窟周毗硼絮请蛰掳俗肇畅辙审面堰重腥笑掘琉纯有工窜委悍缝涌猩输贸披弹够替换栈烃蹄旷干蒸胜蚁荒绍矛理惠医誊局雁级悦邦嫩箩芽降伺协稚效钡挤裕承庚翘衍却洽龙诸撕麻嚷辕违演撼附蔗伊找由醒位愈嗽臻赠奶歹织吞燕蓬撤缝通焕篡孟哟靖宣胯雍葬氛檄狸蝶牢佣绿咖愉俺机啦貉踊烟冶畴绕话铺灶矽较刁到痔厅涨诛梁丝盂侮汛忽幽痊政快昼婴碗迁技价屡瓷砂样捣纪相万渐镭栽缚药魁畅然约怕逼摊帖舶颐歹远狙蛹要闲银捌姚捆游众胞宁肪膨经绑彬幸辣逞陆陈攻炎夷噶娩妄逐我