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1、华中科技大学 硕士学位论文 色散可控光子晶体光纤的结构设计与制备研究 姓名：李洋 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：戴能利 2011-01-06 I 摘 要 具有良好色散平坦特性的光子晶体光纤在密集波分复用(DWDM)光通信系统 及光孤子传输系统中有着很好的应用前景；具有高非线性的色散平坦光子晶体光纤 在超连续谱的产生、波长转换等方面也具有重要的应用。另外具有大负色散光子晶 体光纤可以实现比传统色散补偿光纤(DCF)大得多的色散，而且不用掺杂，在色散 补偿领域具有许多潜在的优点和应用。因此，对色散可控光子晶体光纤的理论及应 用方面的研究具有重要的研究价值和意义。本文对色散可控光子
2、晶体光纤的色散特 性、制备工艺、性能测试和应用展望进行了系统的研究。主要内容包括： (1) 在广泛研读国内外参考文献的基础上，对光子晶体光纤的研究背景、特性、 制备工艺及应用方面进行了综述，重点总结了色散可控光子晶体光纤的理论研究、 制备及性能测试和实际应用。 (2) 介绍了本论文采用的光子晶体光纤的理论模拟方法频域有效差分法 (FDFD)， 基于MATLAB软件实现运用频域有限差分法对色散可控PCF的模场分布、 色散曲线、非线性系数等特性进行模拟。 (3) 对色散可控光子晶体光纤结构的色散曲线、非线性系数、损耗等特性进行 了系统的理论模拟，并分析得出了光子晶体光纤的结构参数包括孔直径、孔间距
3、等 对色散系数的影响。基于模拟结果设计了若干种色散平坦和色散补偿 PCF 结构，并 选取较易实现的一、两种结构进行制备。 (4) 测试所制备负色散高非线性 PCF 的光学传输特性并对结果进行分析，通过 对理论模拟和实际测试结果的对比，对光纤结构设计的优化及光纤制备工艺方面的 改进进行了探讨。对制备出来的负色散高非线性 PCF 的应用进行了展望。 关键词：关键词： 光子晶体光纤 理论模拟 色散可控特性 结构设计 制备工艺 色散性能测试 II Abstract Dispersion flattened PCFs have great application prospect for dense w
4、avelength division multiplexing (DWDM) optical communication system and optical soliton transmission system; dispersion flattened PCFs with high nonlinearity also have important application in the generation of super continuum、wavelength conversion, etc. Besides, PCFs with large negative dispersion
5、as a great application prospect in the field of dispersion compensation. Thus researches on the theory and application of dispersion controllable PCFs are of important value and significance. In this paper, The dispersion properties、preparation、 performance testing and application prospect of disper
6、sion flattened PCFs are studied systematically in the paper. The main contents are as follows: (1) On the basis of study of extensive references home and abroad, the research background、 properties、 preparation and application of PCFs are summarized, the theory research、preparation、performance test
7、and application of dispersion controllable PCFs are emphatically presented. (2) The mathematical methods commonly used to simulate PCFs are introduced. The steps how to use FDFD based on MATLAB to simulate the mode field distribution、 the dispersion curve and nonlinear coefficient are presented. (3)
8、 Systematically simulating the dispersion curve of the designed dispersion controllable PCFs structures and analyzing the influence of PCFs structure parameters such as air-hole diameter and air-hole pitch on dispersion curve. Some dispersion controllable PCFs are designed based on the simulation re
9、sults and one or two structures are prepared. (4) Dispersion performance of the prepared dispersion compensation PCF is tested and the test results are analyzed. Through the contrast and analysis of theoretical III simulation and test results, optimization of fiber structure parameters and improveme
10、nts in preparation are investigated. The application prospect of the prepared PCF product is predicted. Keywords: Photonic crystal fiber Theoretical simulation Controllable dispersion Structural design Preparation technology Dispersion performance test 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我
11、所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以
12、上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 物质文化生活的不断进步使得人们对信息的需求量不断增加，这相应也推动着 以大规模集成电路为基础的计算机技术和以微电子和光电子器件为基础的网络通 信技术分别在信息处理和信息传输交换能力上的不断提高和发展。 高锟博士在 1966 年首次提出利用光导纤维作为光载波的传输介质来传输信息，奠定了光纤通信的理 论基础1，这之后人们一直在为实现具有低损耗、良好色散等性能的光纤而努力。 1970 年，伴随着美国 Corning 公司首次拉制出了损耗为 20dB/
13、km 的光纤2，光纤通 信展现出了美好的发展前景。20 世纪 90 年代，波分复用(WDM)技术在掺铒光纤放 大器(EDFA)实用化的推动下得到了很大的发展，为实现超高速、超大容量的光纤通 信系统提供了可能。 进入二十一世纪以来， 现代通信技术的还在不断向前飞速发展， 这也向光纤通信系统提出了更大容量、更高传输速率、更长距离传输的要求。为了 解决传统光纤系统中出现的色散、非线性以及双折射等问题，迫切需要新器件、新 技术的出现。光子晶体光纤是近十年兴起的一个新兴研究领域，作为一种新型的光 纤，它的出现为解决传统光纤的问题提供了可能。 光子晶体光纤35是一种在基质材料中沿光纤轴向方向周期性的规律分
14、布着许 多空气孔的新型光纤。这种新颖结构使它具有许多传统光纤所不具备的奇异特性。 因此，它可以作为比传统光纤性能更加优异的光传输介质，也可以作为光纤元件提 高光电子器件的性能或者用来制作新奇的光电子器件6。通过调节光子晶体光纤的 结构参数，可以灵活设计光纤的结构，得到各种性能优异的光子晶体光纤，如宽带 单模传输光子晶体光纤5、大模场面积光子晶体光纤、高非线性光子晶体光纤、色 散补偿7和色散平坦光子晶体光纤8等。其中，在密集波分复用系统、宽带光波长 转换和超连续谱产生等领域色散平坦光子晶体光纤都有重要的应用。在波分复用 (WDM)系统中，只有色散平坦且具有近零色散的光纤才能有效地减小四波混频 2
15、 (FWM)效应9；在产生超连续谱方面1011，高非线性色散平坦光纤除了具有极强的 非线性12，由于其平坦的色散及色散可控特性，较之常规光纤和一般的高非线性光 子晶体光纤可以产生频带更宽，平坦度更好的高质量超连续谱。色散补偿光子晶体 光纤由于其对色散的灵活控制，可以实现可调的色散补偿，在对色散补偿精度要求 越来越高的高速光纤通信系统中有巨大的应用。色散可控光子晶体光纤的理论设计 一直是光子晶体光纤研究的热点之一。但是，光子晶体光纤复杂的包层微空气孔结 构，使得预制棒的制备十分复杂，并且在拉制光纤过程中，这些包层中包含的微米 量级的空气孔极易发生变形或塌陷，使得实际制备出的光纤的性能也会受到影响
16、。 因此，研究结构参数对光子晶体光纤特性的影响，如何简化光子晶体光纤的设计过 程，设计出结构相对简单、较易制备，同时兼具低损耗、良好色散可控特性、高非 线性特性等的光子晶体光纤，并且在探索和改进传统拉制工艺基础上制备出实用的 色散平坦光子晶体光纤产品是很有意义的。 1.2 光子晶体光纤概述 光 子 晶 体 光 纤 (photonic crystal fibers ， 简 称 PCF) ， 又 称 微 结 构 光 纤 (micro-structured fiber)或多孔光纤(holey fiber)， 最早是由S.T.J.Russell等人8在1992 年将光子晶体1314的概念引入到光纤中提出的。 光子晶体是一种可以产生光子带隙 的周期性电介质，或叫做光子带隙材料。通过在光子晶体结构中引入缺陷破坏原结 构的周期性， 光子带隙会出现缺陷能级或禁带， 相应的光子将被限制在缺陷区域中， 从而达到局域和操控光子的目的。光子晶体光纤实际上就是一种带有线缺陷的二维 光
