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1、分类号：工“纽!U D Cl密级：编 号：光子带隙型光子晶体光纤的特性研究THE INVESTIGATION oF THE PRoPERTIES oFPBGPCF学位授予单位及代码： 筮壹堡王盍堂 l lQ!璺2学科专业名称及代码：堂堂!Q!鱼呈Q1 2研究方向：韭缝丝堂堂指导教师：!拯重塑麴援研究生：壑星论文起止时间：申请学位级别： 一亟一答辩委员会主席：垒蝴立论文评阅人：基投王掳彪20051 l一2006t2摘 要针对光子带隙型光子晶体光纤的许多优点和应用价值，以及目前国内外对其研究和制作都还存在着一定的困难，为此本论文在理论模拟方面进行了一定的研究，对实验有一定的指导意义。我们采用Rso
2、ft软件，设计了光子带隙型光子晶体光纤的理论模型。为了得到较大的完全光子带隙，应该严重破坏其晶格的对称性，因而设计了纤芯填充空气的缺陷模式。根据麦克斯韦的电磁场理论，运用平面波展开法对其带隙进行了模拟计算，通过改变包层孔径与晶格常数之比、空气填充比及基质折射率，获得了较大带隙的光子晶体光纤。并运用光束传播法对光纤的导光性能进行了模拟，得到了包层孔径与晶格常数之比为O75、空气填充比为O7和基质折射率为145的导光性能较强，同时具有较大带隙的光子晶体光纤。关键词：光子带隙型光子晶体光纤 缺陷模式 平面波展开法 光束传播法ABSTRACTDue to many advantages and app
3、lication of the photonic band gap(PBG)photonic crystal fiber(PCF)，and the larger problem of studying andfabrication in the woddSo we do some research in theory which will beattribute to the experimentsIn order to obtain larger absolute photonic band gap intwodimensional structures，we should reduce t
4、he symmetry of the latticeseriouslyTherefore，the defect mode ofthe air-core was inducedAccordingto the MaxellS theory of electromagnetic wave，the band gap was simulatedwhich based on the plane waves expansion method(FWM)By varying thediameters of cladding holes to pitch of holes ratio()，air fillingf
5、ractions(Fill)and the host refractive index value，large band gap PCF wasachievedSimulated the capability of light guiding by beam propagationmethod fBPM)The high performance of light guiding and big absolutePBGPCF Was made while the parameters of吵J，Fill and Reindex was，1075，O7，145，respectivelyKey wo
6、rds：PBG-PCF defect mode PWM BPM长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，光子带隙型光子晶体光纤的特性研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。作者签名：垂璺埘让月篮长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论
7、文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名： 壶 ：圣 姐年五月-汨指导导师签名：主受纽壁!E净土月由第一章引言11光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的
8、响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。1987年，EYablonovitch研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙内被严格禁止；几乎同时SJohn“1讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yab
9、lonovitch和Gmitter n1首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志Science在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。1992年，Russell提出光子晶体光纤的概念“1，它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传
10、播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤“1(如图11)，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在Science和Nature杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与日俱增。目前光子晶体光纤的研究重点有：理论模型的进一步探讨、结构参数的理论计算、性能的模拟和测试、制作工艺的标准化、实验室实验和工程实际应用技术的研讨等。图11 Southampton大学拉制成功的光子晶体光纤端面扫描图1998年英国Bath大学的JCKnight等人研制成功了第一根
11、光子带隙型光子晶体光纤“1，包层具有蜂窝状结构的空气孔，中心为空芯，光束在空芯中传输(如图12)。光子晶体光纤根据导光机制的不同可以分为全内反射型光子晶体光纤(TIRPCF)和光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)。前者的导光原理与传统光纤相似，都是基于全内反射效应，纤芯的折射率大于包层的有效折射率；而后者是利用光子带隙效应，它的纤芯是空气，光场主要在气芯中传播，因而能够打破传统硅芯结构光纤的限制，如损耗、非线性和可利用的传输窗口等。PBGPCF这种新型光纤具有一系列传统光纤无法比拟的特性如：极低的损耗保证了信号的长距离传输，极低的非线性效应保证了信号的保真度，全波段的单模工作为系统提供了充
12、足的信道资源，零色散波长的人为控制避免了信号的相互串扰。这些特性除了可以用于光通信系统之外，还可以用于飞秒激光的压缩与产生、高精度光学计量等领域，发展前景十分广阔。(a) 横向截面图 (b)横向导光截面图图12第一根光子带隙型光子晶体光纤12国内外研究状况国外有许多单位已经研制并开发出一系列的产品，如麻省理工学院，英国Bath大学”1，Southampton大学，Bell实验室，日本NTT和三菱公司81，丹麦理工学院通信、光学与材料研究中心和丹麦CrystalFiber公司”1等。早在1996年英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学AMZhelt
13、ikov等人也在同年进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制，并发现改变包层的几何结构，可有效地增强光纤中非线性效应。2001年英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构，实验发现双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在这缺陷。2002年韩国也研制出了塑料光子晶体光纤。2003年Wadsworth等人报道了利用大模面积空气包层PCF研制地高功率PCF激光器，其中PCF的纤芯采用了偏芯设计。2004年Blaze发布了一款新型PCF，可产生超连续光谱，光谱亮度超过太阳10000倍。2005年英国Bath大学AOrtigosa和Blanch等人用200fs的泵
14、浦脉冲在PCF中产生超连续谱，日本电报电话公司TYamamoto等人用波长1562nm、脉宽22ps、重复频率40Ghz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学zMZhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得6001000nm的超连续谱。最值的一提的是生产光子晶体光纤的两家公司101。一是丹麦的Crystal Fiber公司(2000年成立)是世界上最领先最具实力的PCF产品商业化公司，也是世界上第一个销售商用化PBG型PCF的公司，它在原有非线性、大模场面积和多模PCF
15、三种系列产品的基础上，又推出两类新产品：一种是空气传导光子带隙晶体光纤，另一种是双包层高数值孔径掺镱晶体光纤。二是英国的Blaze Photonics公司于2001年成立，领导者是第一根PCF的制造人PStJRussell，拥有一批光子晶体方面的专家，专门从事商用PCF技术的开发工作，并实现了PBG型PCF在1565nm的损耗降至172dBkm。国内许多大学和研究所对其都展开了大量的研究和讨论，清华大学、北京大学、南开大学、天津大学、北京邮电大学、北京交通大学、电子科技大学、燕山大学、哈尔滨工业大学以及中科院物理所等单位的课题组分别报道了他们的理论分析和实验研究。2004年清华大学研究人员理论
16、上计算了PCF的色散值Ill得到在1550nmPCF的色散值达到一2050ps(kmnm)，可以补偿120倍长度的G650光纤，可以补偿240倍长度的G655光纤，从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。有人曾经预测光子晶体光纤的极低损耗是001dBkm，目前TIR型PCF的传输损耗有的已经降至037dBkm，而PBG型PCF的传输损耗在ldBkm以上，但是后者比前者有潜力把损耗降至更低。第一PBG型PCF允许光纤弯曲半径足够小，这样极大降低了光纤的弯曲损耗；第二由于光脉冲是在空气孔中传输，所以作为材料属性的吸收、色散和非线性效应就不存在了。因此随着制作工艺的不断改善，PBG型PCF的实际传输损耗还将进一步降低。更多更高级的应用正在设想和探索之中，不远的将来，PBG型PCF将在光通信和光器件领域占有举足轻重的地位，产生不可估量的影响和巨大的经济价值。13本论文的
