（光学专业论文）二维光子晶体的色散和波导耦合特性及其应用.pdf

摘要 摘要 光子晶体是近十几年来发展起来的一种新兴人工材料，已经成为国内外研究 热点之一。光子晶体最基本的特征就是具有光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p ，简称 p b g ) ，落在带隙中的光波被禁止传播，它提供了一种全新的控制光流的机理。 光了晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，它能够呈现出许多传统光纤不具备 的特性。二维光子晶体光波导( p c w ) 是实现新型光子集成( p i c ) 最为重要的元 件之一，它是通过在完整光子晶体中引入线缺陷而形成的，对于原来对完整光子 晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播，因此在光通讯和光集成等领域有 着广阔的应用前景。 本论文运用平面波法和有限时域差分法，从理论上对光子晶体光纤的色散特 性和二维光子晶体的波导耦合特性及其应用进行了研究。主要做了以下几个方面 的理论研究工作： 第一章，介绍了本课题研究的意义和现状、光子晶体的概念、特性及其应用 研究现状。详细阐述了光子晶体光纤的概念、分类、导光机理和光子晶体光纤的 色散特性。 第二章，基于自成像多模干涉效应，本章提出了一种二维光子晶体分束器， 用时域有限差分法和平面波展开法作为研究工具，t i m 模为研究对象，数值计算 和分析了这种分束器的特性。结果表明，这种分束器每个输出端的反射率低于 0 0 0 2 ，透射率可高达0 4 9 8 ，造成这种现象的物理原因是多模干涉区的自成像效 应。这种多模干涉在光子晶体光学集成电路中具有重大的潜在应用价值。 第三章，在完整的二维光子晶体中引入线缺陷，就形成了光子晶体波导。将 七平行光子晶体单模波导的相互耦合看成一个多模干涉系统。在多模干涉系统 中，本征模的色散曲线相交并出现简并模，简并模之间存在强烈耦合并导致模式 的分布方式重新发生变化。此外，基于自成像效应的波导多模偶合，提出了一种 二维光子晶体波导四端口分束器。采用时域有限差分法和平面波法作为研究工 具，以t e 模为研究对象，从理论上分析了这种器件的特性。结果表明，通过调 节介质柱半径r ，来改变耦合区电磁场的相位分布，从而控制四个输出端口的能 量分布。这种装置为光子晶体波导中制造n 端口分束器提供了一种新的方法。 第四章，为了研究双芯光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) 的带隙 和色散特性，本章首先采用平面波展开法计算了双芯光子晶体光纤的带隙特性， 结果表明当相对孑l 径d l i 0 2 时，归一化传播常数1 3l 的增大，导致光子禁带宽 i l 摘要 度增加，利用空气导光的工作波长范围越大。其次，采用全矢量模型分析了双芯 p c f 的色散特性，得到了通过适当调整光纤的结构参数，可以获得灵活的色散特 性的结果。随着相对孔径和孔距的增大，零色散点向短波长方向移动。本研究结 果为制作高效传输光信号和高性能的保偏光纤提供了一个有效途径。 第五章，光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。用时域有 限差分法研究了线缺陷1x 4 光子晶体分束器的特性。研究表明，输出端的透射 传输特性随入射光的波长和分支的几何形状有关，并且入射波分别相等地流入四 个输出端口。为了减少1x 4 分束器在三个y 型分支区的反射，我们可以通过调 节在分支区的可调介质柱的半径r ，使每个输出端口输出很高的透射率。 第六章，利用多极法的软件包对六角芯光子晶体光纤的色散补偿进行了数值 模拟与分析，研究发现通过改变第一包层空气孔直径d 0 和空气孔间距八，可以 灵活设计波长在1 5 5 u m 附近具有高色散值、负色散斜率和在短波长内单模传输 的色散补偿型光纤。数值模拟和分析表明该光子晶体光纤在色散补偿型光纤方面 具有广泛的应用前景。 关键词：二维光子晶体；色散；时域有限差分法；自成像效应；光予晶体波导； 耦合 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , r e s e a r c ho np h o t o n i cc r y s t a lh a sb e c o m eo n e o faf o c u sa l lo v e rt h ew o r l d t h eb a s i cc 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 l si si t sp h o t o n i cb a n d - g a p t h e r e f o r e ，i tc a i l p r o v i d en o v e lm e c h a n i s m st oc o n t r o lt h ef l o wo fl i g h t ，a sar e s u l t ，p h o t o n i cc r y s t a l w i l lp o s s e s sw i d e l ya p p l i c a t i o np r o s p e c ti no p t i c sc o m m u n i c a t i o na n dp h o t o n i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s an e wt y p eo ff i b e r , k n o w na sp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , h a se m e r g e d i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，w h i c hh a v er e s u l t e di ns o m eu n u s u a lp r o p e r t i e su n a t t a i n a b l e w i t hc o n v e n t i o n a lo p t i c a lf i b e r s p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s ( p c w s ) ，w h i c ha r eo n e o ft h em o s tp r o m i s i n gc o m p o n e n t so fp h o t o n i cc r y s t a l st ob er e a l i z e di np h o t o n i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) ，m a yb ec o n s t r u c t e db yi n t r o d u c i n gi n t e g r a t e dal i n ed e f e c t i n t op e r f e c tp c sa n dt h et mw a v e sc a np r o p a g a t ea l o n gt h el i n ed e f e c t t h u st h e y p r o v i d e aw i d ea p p l i c a t i o ni nl i g h tc o m m u n i c a t i o na n d p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s t h e d i s p e r s i o np r o p e r t i e s o f p h o t o n i cc r y s t a l f i b e r sa n dt h e c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e si nt w o d i m e n s i o n a l p h o t o n i cc r y s t a l w a v e g u i d e sa n di t sa p p l i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l yi nt h ed i s s e r t a t i o nb y u s i n gt h ep l a n ew a v em e t h o da n dt h ef i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o db a s e do n t h es e l f - i m a g i n gp r i n c i p l et h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sg i v e ni nt h ef o l l o w i n g i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a n c ea n da c t u a l i t yo ft h i si n v e s t i g a t i v ep r o b l e m ，c o n c e p t ， c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no ft h ep h o t o n i cc r y s t a l si si n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h e c o n c e p t ，c l a s s i f i c a t i o n s ，g u i d i n gl i g h tm e c h a n i s ma n dd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e p h o t o n i cc r y s t a lf i b r ei sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l i n c h a p t e r2 ， i no r d e rt o i n v e s t i g a t e a n d c o m p u t a t i o nt h e c o i n c i d e n c e c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c ta n ds e l f - i m a g i n g p r i n c i p l ei n t w o - d i m e n s i o n a lt r i a n g l ep h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s ，at w o - d i m e n s i o n a lp h o t o n i c c r y s t a ls p l i t t e rh a sb e e np r o p o s e d t h es p l i t t e rh a sb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e db y 6 n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i nm e t h o db a s e do nt h em u l t i m o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c ta n d t h es e l f - i m a g i n gp r i n c i p l e t h er e s u l t ss h o wt h es p l i t t e re a c ho u t p u to ft h er e f l e c t i o ni s s m a l l e rt h a n0 0 0 2 ，a n dt h et r a n s m i s s i o ni sl a r g e rt h a n0 4 9 8 ，t h ep h y s i c a lo r i g i n so f t h i sp e r f o r m a n c ei st h es e l f - i m a g i n gp r i n c i p l ei nt h em u l t i m o d er e g i o n t h i sh 1 1 do f m u l t i - m o d ei n t e r f e r e n c em a yf i n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni np co p t i c a lc i r c u i t s i v a b s t r a c t 一一一 i nc h a p t e r3 ，i ti se n g e n d e rp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e s i nt h ei n t e g r i t y t w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l si n t r o d u c i n gl i n ed e f e c t i t c a l ls e eam u l t i m o d e i n t e r f e r e n c es y s t e mw i t hs e v e np a r a l l e lp h o t o n i cc r y s t a l ss i n g l e - m o d ew a v e g u i d e c o u p l i n g i nt h em u l t i m o d ei n t e r f e r e n c es y s t e m ，d i s p e r s e c u r v eo fl a t e n tm o d e i n t e r s e c ta n da p p e a rs i n g l e c o m b i n a t i o nm o d e ，i te x i s ti n t e n s i t yc o u p l i n ga m o n g s i n g l e c o m b i n a t i o nm o d ea n dt h ed i s t r i b u t i n g o fl e a dm o d eh 印p e nc h a n g e 1 1 1 e o p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e4p o r ts p l i t t e rh a v eb e e nd e m o n s t r a t e df o rt m p o l a r i z a t i o nb y f d t da n dp c wm e t h o d s r e s u l t ss h o wt h a tp r o p a g a t i o nd i r e c t i o no ft h eo u t p u t o p t i c a lp o w e ri ne a c ho u t p u tp o r to f t h ed e v i c ec a nb et u n e db yr e d u c i n gt h er a d i io f t h em e d i u mi nt h ep h o t o n i cc r y s t a l s i tc a ng i v eu san e ww a y t od e v i s et h en - p o r t s p l i t t e ri np h o t o n i cc r y s t a l st r i p ew a v e g u i d ec o u p l i n gw i t h t h i sd e v i c e i nc h a p t e r4 ，t or e s e a r c ht h ep h o t o n i cb a n dg a pa n dd i s p e r s i o np r o p e r t yo f d o u b l e c o r ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , t h ep h o t o n i cb a n dg a pi s c a l c u l a t e db yt h e p l a n e w a v ee x p a n s i o nm e t h o da tf i r s t ，w h e nr e l a t i v ea p e r t u r ei sl a r g e rt h a n0 2 ，i tc a n b ee a s yt op r o p a g a t el i g h ti nt h ea i r - c o r e ，w i t ht h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n ti n c r e a s i n g s e c o n d ，_ t h ed i s p e r s i o np r o p e r t yo fd o u b l e - c o r ei si n v e s t i g a t e db yaf u l l - m o d e l ，i tc a n g a i n e da g i l i t yd i s p e r s i o np r o p e r t i e sb ya d e q u a c ya d j u s ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so f f i b e r s r e s u l t ss h o wt h a ti tc a ng a i n en e a r4 8 0 n mo fs u p e rs m o o t h n e s sd i s p e r s i o na r e aw i t h l = 2 u m d l = 0 4a n dw a v ei n1 5 5 u r nr o u n d ；w i t ht h er e l a t i v ea p e r t u r ea n da p e r t u r e d i s t a n c ea c c r e t i o n z e r od i s p e r s i o np o i n tw i l lm o v et os h o r t - w a v e t h e r e s u l t so ft h i s s t u d yp r o v i d ea ne f f e c t i v ew a yt op r o d u c et h ee f f i c i e n tt r a n s m i s s i o no p t i c a ls i g n a l s a n dh i 曲p e r f o r m a n c ep o l a r i z a t i o nf i b e r s i nc h a p t e r5 ，o p t i o n a lp o w e rs p l i t t e rm a d eb yp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e sa r e b e l i e v e dt ob e c o m ee s s e n t i a lc o m p o n e n t sf o rc o m p a c tp h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s w e d e s i g na1x 4o p t i c a lp o w e rs p l i t t e r m a d eb yl i n e a r - d e f e c tw a v e g u i d e si np h o t o n i c c r y s t a l s ，a n da n a l y z ei t sp r o p e r t i e su s i n gt h ef i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d r e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e sv a r yw i t hw a v ef r e q u e n c ya n db r a n c h g e o m e t r y , a n dt h a ta ni n c i d e n tw a v ei s d i v i d e de q u a l l yi n t of o u ro u t p u tp o r t s t o r e d u c et h er e f l e c t i o n sa tt h et h r e ey - b r a n c h i n gr e g i o n si nt h e1x 4s p l i t t e r , w ec a n a d j u s tt h er a d i io ft h em e d i u mi nt h eb r a n c h i n gr e g i o n ，a n da c h i e v eh i g ht r a n s m i s s i o n i ne a c ho u t p u tw a v e g u i d e i nc h a p t e r6 ，t h em u l t i p o l em e t h o do ft h es o f t w a r ep a c k a g ei sa d o p t e dt o n u m e r i c a lv a l u ea n da n a l y z et h ed i s p e r s i o np r o p e r t i e so fs i xa n g l ep h o t o n i c c r y s t a lf i b e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc a na g i l i t yd a s i g nt h ec o m p e n s a t e v a b s t r a c t d i s p e r s i o nw i t hh i g hd i s p e r s i o n 、n e g a t i v ed s l o p ea n ds i n g l em o d et r a n s m i s s i o n i ns h o r tw a v ew i t hc h a n g et h ea i rh o l es i z ed oo ft h ef i r s tc l a d d i n ga n dt h e p i t c h 人a n a l y z i n gs h o wt h i sp c fh a sb r o a da p p l i c a t i o ni n c o m p e n s a t e d i s p e r s i o na s p e c t k e y - w o r d s ：t w o - d i m e n s i o n a lp h o t o m cc r y s t a l ；d i s p e r s i o n ；f i n i t e - d i f f e r e n c ef i m e d o m a i n m e t h o d ；s e l f - i m a g i n gp r i n c i p l e ；p h o t o n i cc r y s t a l sw a v e g u i d e s ；c o u p l i n g 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得南昌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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：彳禾 签字目期：协- 乙月1 5 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：痞东 签字日期：沙彩年l t 月f j _ 日 导师签名：么受一 签字e l 期：7 口力l ；年，1月口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的意义和研究现状 在光通信领域，光信号的传输和控制非常重要。激光信号在光波导中能耦合、 传输和调制。传输和控制光信号的物理基础是光波导及波导器件，理论基础是光 波导理论【l 】。 光波导( 简称波导) 是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波 长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。光波导器件与常规的分立光学元件 相比，其根本差别在于波导中传播光波的模式是分立的。在集成光波导器件的研 究方面，人们已经研制出了众多不同功能的光波导器件。其中很多光波导器件的 性能远远优于分立元件的性能。经过三十多年的发展，集成光波导器件的研究已 经从最初的单元件、单功能光波导器件，向多功能、多元件单片集成的方向发展。 近几年，随着光纤通信需求量的高速发展，推动了集成光波导器件的研究向高性 能、高密度集成光波导器件的方向发展。 二维光子晶体光波导( p c w ) 是实现新型大规模光子集成( p i c ) 最为重要 的元件之一，它是通过在完整光子晶体中引入线缺陷而形成的，处于原来对完整 光子晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播。因此这与传统介电光波导采 用全内反射( t i r ) 来横向限制光波的原理截然不同。由于光子晶体的周期( 晶 格常数) 为波长数量级，使得光子学器件体积超小，而且基于硅基的平板二维光 子晶体器件完全可以和目前的半导体工艺相结合，因此更容易实现集成；同时在 光子晶体光波导拐弯角很大时依然可以实现低损耗甚至零损耗的光传输，从而克 服了传统波导和光纤在弯曲处大损耗的缺点；二维光子晶体光波导还可以获得极 低的群速度，更容易实现光波的调制等。正是这些优良的特性，使得基于二维光 子晶体光波导的功能器件得到了深入的研究，包括光功分器、光开关、波分复用 器、定向耦合器、色散补偿器f 2 叫等。 基于自映像效应的多模干涉( m m i ) 型集成光学器件由于具有低损耗、结构 紧凑、制作简单、容差性好等优点得到了国内外的普遍关注。2 0 0 4 年，集成光 学专家l e e 等提出了光子晶体多模波导的m m i 效应【_ 7 1 。研究表明，类似于介电多 模波导中的自映像效应依然成立，也就是在多模波导系统中，沿着波导的传播方 向，将周期性地自我复制出输入场的单像和多像。光子晶体多模波导也可用来设 计波分复用解复用器、光功分器等。 第一章绪论 集成光学器件已经在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重 要作用。但就目前而言，光纤通信的应用远大于其它领域的应用，几乎8 0 的集 成光学器件都是针对光通信研究开发的。集成光学领域中，光功分器是实现无源 光网络的重要元件。 12 光子晶体简介 根据折射率( 介电常数) 的空间周期性变化及光子带隙出现的空间维度，光子 晶体可分为一维、二维和三维光于晶体。图11 为一维、二维和三维光子晶体的 示意图。 商榭匈 a ) 一维光子晶体( b ) 二维光于晶体( c ) 二维光子晶体 图1 i 光子晶体的分类示意圜 相对二、三维光子晶体而言，一维光子晶体在结构上最为简单，从一维光子晶 体算得的理论结果有可能推广n - - - - 、三维光子晶体。一维光子晶体是具有周期性 的介电多层膜。一维光子晶体中折射率是阶跃式变化的，由于强烈的多重反射效 应，传统的耦合近似处理不再适用，一般采用传输矩阵的方法柬模拟光波在一维 多层膜体系中的传播特性1 8 - 1 2 1 。一维光子晶体的应用最早也最广泛，如全方位的 平面反射镜、新型半面天线、半导体激光器的分却反馈式谐振腔等。如果将一 维光子晶体的带隙设计在微波波段，则它既可以用作微波防护材料，又可以用作 微波材料，如用于高功率微波的发射和传输。一维光子晶体波导在微波领域有着 广阔的应用前景对于国防科技具有极其重要的意义。 二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是 由许多介质杆平行而均匀地排列而成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上( 两 个方向) 介电常数是空问位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电常 数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在许多种 结构，如矩形、三角形和石墨的六边形结构。横截面形状不同，获得的光子频率 禁带宽窄也不一样。矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频 率禁带较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大 第一章绪论 小不同的两种介质圆柱杆来构造二维光子晶体。二维光子晶体的制备相对容易， 可以方便地引入缺陷，实现与常规光学元件( 如光源、波导、光纤、光探测器等) 的连接。目前研究较多的是光子晶体平板波导和光子晶体光纤。 三维光子晶体是由两种介质在空间三个维度上交替排列而成的周期性结构 材料，晶格复杂，实验制作具有很大难度。美国贝尔通讯研究所的y a b l o n o v i t c he 创造了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体。此后，人们利用精 细加工方法和胶体溶液的自组织生长技术，已成功地制备出远红外、红外和可见 光波段的三维光子晶体。自然界中也存在三维光子晶体，如蛋白石。 1 3 光子晶体的基本性质 具有光子带隙是光子晶体最基本的特征，频率落在光子带隙内的光的传播是 被禁止的。光子带隙的出现依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比，一般说来， 光子晶体中两种介质的介电常数比越大( 一般要求大于2 ) ，入射光被散射就越强 烈，就越有可能出现光子带隙。同时，光子带隙的出现与光波的传播方向有关。 光子带隙可以分为两种：一种是不完全带隙，即光在某些特定的方向入射时，才 会出现的带隙；另一种是完全带隙，即光从各个方向上入射时都会出现的带隙【l2 1 。 由于带隙产生在布里渊区的边界处，所以完全带隙更容易出现在布里渊区为近球 形的结构中，因此，二维六角晶格结构和三维f c c 晶格结构( 金刚石结构) 能 得到较大的带喇”】。此外，还有介质填充比、介质连通性等因素也影响到光子带 隙。改变材料的介电常数或晶格大小，可以调整光子带隙的位置和宽度。 光子晶体的另一个主要特征是光子局域。在半导体中引入缺陷或无序，对电 子来说将会出现电子局域态或a n d e r s o n 局域化。电子局域化是无序介质中经历 多次散射的电子波之间发生干涉导致的，干涉使电子只能在极其有限的空间范围 内运动，也就是说电子的扩散系数趋于零。对于电磁波在光子晶体中传播来说， 光子的局域化也应该是存在的。在光子晶体中引入缺陷后，会在光子带隙中引入 局域模式，称为缺陷模。与局域模频率共振的光有可能隧穿通过光子晶体。光子 晶体中引入的缺陷可以是点缺陷和线缺陷。在垂直于线缺陷的平面上，光被局域 在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。对于点缺陷而言，由于缺陷四周仍是完 整的光子晶体，与缺陷态频率对应的光子只能局限在缺陷附近，因此，一个点缺 陷相当于一个微腔，可以用来形成高密度、高能量的谐振腔。 3 第一章绪论 1 4 光子晶体光纤简介 1 4 1 光子晶体光纤的概念 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【1 4 1 。光子晶体光纤又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学 特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。它是一种带有线缺陷的二维光子 晶体，光纤包层由规则分布的空气孔排列成三角形或六边形的微结构组成，如果 其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷模，利用其局域光的能力，将光限制在 缺陷内传播，其传播机制不同于利用全内反射的普通光纤，而是利用光子带隙 ( p h o t o n i cb a n dg a p ；p b g ) 结构，使一定波长和传输常数范围内的光的所有模式 无法在横向扩展而穿透包层材料，从而达到沿轴向传播的目的。独特的波导结构， 灵活的制作方法，使得p c f 与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展 和增加了光纤的应用领域。由于p c f 的空气孑l 的排列和大小有很大的控制余地， 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。p c f 具有 特殊的色散和非线性特性，在光通信领域具有广泛的应用前景【l 5 1 。 1 4 2 光子晶体光纤的结构 就结构而言，p c f 可以分为实芯光纤和空芯光纤。实芯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。空芯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。光子晶体光纤按形成导波的机制可 分为两类：全内反射光子晶体光纤( t i r p c f ) 和光子带隙光子晶体光纤 ( p b g - p c f ) 。 ( 1 ) 全内反射光子晶体光纤 全内反射光子晶体光纤的纤芯折射率比包层的有效折射率高，导波方式与全 反射原理类似而并不依赖p b g 效应。这种光子晶体光纤在结构上与传统光纤极为 接近，但表现出了极为不同的性能：如果将其纤芯尺寸做得足够小( 一般都在 2 m 左右) ，超短脉冲在传播过程中将与纤芯相互作用表现出非常明显的非线性 现象，如光孤子的产生、拉曼散射、自陡峭现象等；它在很宽的频率范围内支持 单模运行；它允许核心面积大于传统光纤核心面积1 0 倍以上，这样就允许较高的 入射功率；它在可见光波段( 可达5 0 0 n m ) 可以实现零色散和高偏振设计等。这 种导光机制的p c f 实现起来相对简单，它对空气孔排列的精确度要求较低，也不 要求大直径的气孔，而且光学损耗也基本降到了普通光的水平。目前大多数的研 究和应用都是针对这种类型。 ( 2 ) 光子带隙光子晶体光纤 p b g 型光子晶体光纤导光是基于一种全新的机制光子带隙理论。p b g 4 第一章绪论 型光子晶体光纤要求包层空气孔结构具有严格的周期性，通过破坏它的周期性结 构形成具有一定频宽的缺陷态或局域态，这样只有特定频率的光波可以在这个缺 陷区域中传播，其它频率的光波则不能传播【l6 1 。这种光纤与全内反射式光子晶体 光纤最大的不同就是纤芯引入了折射率低于包层材料的空气孔缺陷，因此光的导 入就不可能利用全内反射原理，而必须完全借助于光子带隙效应。1 9 9 8 年g a ：l = i g h t 等首次制成光子带隙型光子晶体光纤，其包层结构为所谓的蜂窝状结构，光不是 在空芯中传播，主要在石英纤芯中传播【1 7 】。1 9 9 9 年，c r e g a n 等人在k n i g h t 的 基础上，设计了另外一种结构的光子晶体光纤【l 引。他们将一堆外径为l m m 的空 心玻璃柱绑在一起，然后在整体的堆积中心省去7 根玻璃柱，形成很大的空气孔 缺陷作为光通道，实现了光在中心空气孔中的传播。w a d s w o r t h 等人研究表明这 种p c f 可传输9 9 以上的光能，而且空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤 的1 4 - - - 1 2 1 9 】。由于p b g 型光纤要求有较精确的空气孔排列，否则光很容易损 耗掉，它的制作还不是很成熟，虽然也有一些公司在生产，但仍处于尝试阶段。 1 4 3 光子晶体光纤的色散特性 光子晶体光纤具有奇异的色散特性。由于光予晶体光纤可以由同一种材料构 成，纤芯与包层间的折射率差不会因为材料的不相容而受到限制，从而可以在非 常宽的范围内取得大的色散。目前，对p c f 色散特性的内在机理尚未有透彻的认 识，还无法从理论上指导如何设计p c f 获得需要的色散特性，而只能针对某种设 计通过数值模拟得到其色散特性。 ( 1 ) 可调控色散特性 p c f 与传统的光纤在色散特性上有很大的不同，这是因为它的包层含有微小 的气孔阵列，其色散特性依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列。而且光子晶体 光纤由单一材料( 纯二氧化硅) 构成。它不存在与常规光纤材料不匹配的现象，它 对波导色散有较高的控制性。因此可以根据需要通过改变包层的结构参数( 如： 空气孔直径d 和空气孔间距人) 来方便地获得所需要的色散量并能够灵活地设计 色散曲线。p c f 中的色散控制对光纤通信、色散补偿和非线性光学来说有很重要 的意义。 ( 2 ) 近零超平坦色散 通过适当设计空气孔的参数和调节p c f 包层参数，可以获得近零超平坦色 散，而且宽带平坦色散曲线的中心波长可移动，这样就可以在通信窗口中获得宽 的近零平坦色散，这是p c f 的一个显著特性。p c f 的近零超平坦色散特性可应用 于d w d m 技术当中，可以极大地减小色散补偿压力和成本，因此人们对p c f 的近 零超平坦色散特性的研究兴趣有增无减。西班牙的a f e n a n d 等早在2 0 0 0 就报道了 5 第一章绪论 他们关于近零超平坦色散的研究结果：制作的p c f 的空气孔直径d = 0 7 3 a m ，空气 孔间距人= 3 0 2 a m ，可以在以1 5 2 a m 为中心的5 4 3 n m 的波长范围内得到色散值 为d = 士l p s i ( k i n n m ) ；用空气孔直径d = o 6 3 a m 和空气孔间距人- 2 6 4 a m 制作成 的p c f ，可以在4 2 8 n m 的波长范围内得到d ：士o 5p s ( k i n 玎聊) 的色散值【2 0 1 。2 0 0 2 年，英国b a t h 大学制作的p c f 可以得到在1 2 4 a m 1 4 4 a m 波长范围内士o 6 p s ( k m r i m ) 的色散值，以及在1 a m 1 6 a m 波长范围内士1 2 p s 吖砌r i m ) 的色散 值【2 。s i n h a 等人报导的平坦色散光纤纤芯直径d = 3 a m ，空气孔直径d = 0 6 9 a m ， 空气孔间距人_ 2 3 a m ，这种光纤在波长1 3 a m - - 1 7 a m 范围内色散值在( + o 0 5 ， o 2 5 ) p s ( b n r i m ) 内变化【2 2 1 。燕山大学设计出在光通信波段接近于零的平坦色 散光子晶体光纤，其色散d 的绝对值在1 2 a m 1 7 a m 波长范围内小于 2 0p s ( k m l l m ) ，其色散斜率见概的绝对值小于o 0 2p s ( 砌1 , l m 2 ) 2 3 o ( 3 ) 负色散和色散补偿 色散补偿的基本原理是当光脉冲信号经长距离光纤传输后，由于色散效应而 产生脉冲展宽或畸变，这时可以用一段有很大负色散值( 1 5 5 0 n m 波长) 的色散补 偿光纤( d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf i b e r ，d c f ) 来修正，目的是消除展宽或畸变。 目前通讯系统中所使用的光纤都是为传输1 3 0 0 n m 波长的光而设计的，当需要传 输1 5 5 0 n m 波长的光时，光纤就会表现出很强的色散效应( 2 0 p s ( b n n m ) ) 。如 此大的色散可以通过使用较短的一段色散补偿光纤来进行补偿。p c f 在色散补偿 应用方面蕴藏着巨大的潜力，因为经过合理设计其包层的几何结构后，p c f 不但 可以在单一波长下得到很大的负色散值，而且在较宽的波长范围内也可以取得理 想的色散效果。1 9 9 8 年底，英国b a t h 大学的科学家首次提出用光子晶体光纤代替 其它d c f 来进行色散补偿的想法。他们设计的p c f 可以获得1 0 0 n m 带宽，超过 - 2 0 0 0p s ( b n n m ) 的色散值，可补偿为自身长度3 5 倍的标准光纤引起的色散【2 4 1 。 清华大学倪屹等人设计了一种新型d c p c f ，这种d c p c f 由纯石英和空气孔组成， 能够减小传输损耗和简化制作工艺。理论模拟表明其负色散值可达 18 0 0 0p s ( b n r i m ) ，这比一般p c f 的负色散约大一个数量级【2 5 】。加拿大m c m a s t e r 大学的l p s h e n 等人研究了p c f 的宽带色散补偿应用，据他们的设计，选用参数 人= 0 9 3 2 a m ，d a = 0 8 9 3 时，在波长1 5 5 0 n m 处，其色散值为 d = - 4 7 4 5p s i ( i o n n m ) ，经过这种p c f 卒b 偿的普通单模光纤在2 3 6 n m 的波长范围内 色散值在0 0 5 p s ( k m n m ) 之剐2 6 1 。 ( 4 ) 短波零色散 与传统光纤不同，光子晶体光纤由于可以具有较大的纤芯和包层折射率差， 因此可以在很宽的波长范围内得到较大的色散，而且可以将反常色散区域从红外 波段拓宽到可见光波段。如果改