基于椭圆缺陷纤芯的光子晶体光纤负向平坦色散特性研究分析 通信工程专业.docx

《基于椭圆缺陷纤芯的光子晶体光纤负向平坦色散特性研究分析 通信工程专业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于椭圆缺陷纤芯的光子晶体光纤负向平坦色散特性研究分析 通信工程专业.docx（15页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第一章绪论光子晶体(PhotOniCCrystals)是近年来迅速发展起来的一种介电常数随空间周期性变化的新型结构材料。随着时代的发展，光子晶体光纤(PhotOniCCrystalFiber,PCF)作为新型光纤逐渐被人们熟知并应用，这种光纤的构成成分以单一介质为主,其微结构包层从二维方向出发，一轴向波长空气孔作为最终组成成分。相比于传统光纤，光子晶体光纤具有的部分特性更为突出，所以一经问世就广受欢迎，成为这些年来研究光电子学不可缺少的一部分。1.1 本设计的背景随着21世纪的到来，信息技术运用到千家万户，成为人们日常生活中不可缺少的一部分。反观过去可知，在过去50年里人们将半导体技术作为研究

2、的主要技术，从而在一定程度上促进了信息产业的持续前进发展。而电子以信息载体的形式而存在，无论是从信息传输的速率上来说还是从信息传输的效率上来说，都还存在着很多亟需解决的问题，受到人们的大力关注。因此，在这种情况下，人们创造性的提出了光子作为信息载体的想法，使其能够全方面的代替电子的信息载体。对光子信息载体而言，由于其具有能耗低、效率高以及速度快等多方面电子不具备的优点，这是其能够得以运用的主要前提条件。然而对光子的控制度较难，所以人们希望能够找寻到半导体超晶格这类电子流动的材料，从而更好的控制光子的运动。因此人们提出了光子晶体一光子微结构材料的概念。光子晶体的概念是根据传统的晶体概念类比而得来

3、的，由于其具有独特的传光机理，人们便对光子晶体的理论分析和实验研究产生了极大的兴趣。它可以如愿以偿地控制光子的运动，是受光通讯、光子集成、光电集成、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术青睐的一种新概念材料。从科学角度而言，光电集成线路就将使信息技术产业发生巨大变革的前提就是光学器件能像电子器件一样集成化。只要这个想法成为现实，那么就会促进社会的深入发展，产生巨大的无可评估的影响，而这种影响可以和微电子革命带来的影响相媲美。光子晶体光纤的概念最早是由1987年美国Princeton大学的SJohn和美国Bell实验室的EYabkmovitch分别同时提出。为了得到超平坦色散，研究者们

4、已经提出了基于光子晶体光纤的多种设计方式，其中，最简单高效的方式是在纤芯中加入一个小的空气孔。其基本原理是，在光子晶体光纤纤芯中引入小空气孔，能够增强波导色散和材料色散的互相协调，使两种色散作用相互抵消，从而在较宽的波段范围内得到近乎零色散的优异特性。基于以上背景，本文对具有椭圆缺陷纤芯的光子晶体光纤负向平坦色散特性展开初步研究。1.2 国内外现状很早以前，以英国巴斯大学和丹麦工业大学为主的研究者就将光子晶体光纤研究作为自己的主要研究工作，并从理论和实验上对其进行了深入研究，而且都取得了一定的成就。除此之外，后世还将这两所大学的研究小组名作为公司名成立并上市了相关产品。这些年来，随着国际上诸多

5、研究公司和研究小组的踊跃参与，推动了光子晶体光纤新热点话题内容的研究，并有了一些新的以前不曾研究出来的研究成果。JCKnight等人通过实际试验后获取了一种零色散波长在700nm的严格单模光子晶体光纤，并发现此光纤在光孤子的产生和超连续谱的运用上扮演着十分重要的角色。在丹麦工业大学里面的RAAnderson通过对高非线性平坦色散光子晶体光纤的运用，推动了40Gb/s归零差动相移键控信号波长转换功能的部分实现。在国外研究者正在如火如荼的开展光子晶体光纤的研究工作时，国内研究者也投入到了对光子晶体光纤的研究测试中去了。其中，燕山大学的侯蓝田教授就是对光子晶体光纤研究的第一批引导者，其通过对光子晶体

6、光纤间隙孔和折射率之间的关系发现引导型光子晶体光纤所具有的基本特征，并找出了间隙孔的存在在光纤损耗和有效模式面积的减小上扮演着重要的作用，与此同时间隙孔也可以推动对非线性系数的增大，使光子晶体光纤的零色散波长的移动方向以短波为主，导致光纤处于反常色散区时其色散曲线更为平淡，而且推动了对椭圆空气孔色散平坦光子晶体光纤的建立和发展，色散值S在C波段和L波段为0.6lps/nm/kmo2007年，刘昭伦等人也设计了一种用椭圆孔替代双包层空气孔的光子晶体光纤的内包层圆形空气孔，观察到一条更平坦的色散曲线，实现平坦色散的结构。2009年，赵岩等人利用时域有限差分法(FDTD)模拟仿真发现具有椭圆缺陷的纤

7、芯会使色散曲线趋于平坦。在清华大学电子工程系任教的彭江得教授对大芯区的单模光子晶体光纤进行了深入研究，并在研究过程中推动了双芯光子晶体光纤的研究和应用，在这过程中，其色散可达18000ps/nm/kmo2012年，天津大学光电子工程学院的王清月教授重点研究了光子晶体光纤在宽带连续谱和非线性效应上的相关问题。2016年，以周铭皓为首的研究者们通过对多极法的运用，推动了对椭圆空气孔的光子晶体光纤的研究；而以李绪友为主的研究者推动了对空芯带隙光子晶体光纤(PBF)的研究和探讨；比常规的熊猫保偏光纤低两个数量级。随后，以北京邮电大学的任晓敏为首的研究者最终发现，当10Gb/s光脉冲序列展宽了2.163

8、km普通单模光纤后,将26mPCF作为色散补偿的主体,只需等在C波段20nm范围内，就能完全推动完善的色散斜率补偿。1.3 光子晶体的发展光子晶体虽然只有短短二十几年的发展历史，但已经在学术界引起了的不小的轰动，它吸引了半导体器件物理、光学、量子光学、纳米技术和材料科学等领域的科学家对其进行从研究测试，除此之外，仍有许多科研工作者对光子晶体的理论研究和实际应用方面进行了大量的实验测试。由于光子晶体的独特特性，使得光子晶体在刚被提出时，就引起了各领域科学家的广泛关注。光子晶体的概念最早是在1987年由Yablonovitch和John在讨论周期性电介质结构对光传播行为的影响时分别提出的。光子晶体

9、这一概念提出后，引起了一众研究者的注意，紧接着，关于光子晶体的诸多实际应用陆续地被证实。1999年，美国的SCienCe杂志将光子晶体看作是“十大科学进展”中不可缺少的部分；而后在2006年底，该杂志又再次指出光子晶体是未来自然科学研究的热点领域。国外有许多国家都在对光子晶体展开一系列的研究。在最早提出光子晶体概念的美国，大多数机构都将光子晶体作为主要研究工作，而且多数研究项目的资金大多来源于美国军方的资助。因为研究时间够久，再加上研究的范围足够宽广,所以在研究过程中取得了累累硕果。从1987年光子晶体概念被正式提出到上世纪90年代，人们都将研究的重点放在微波波段光子晶体的实验研究和光子晶体禁

10、带的理论计算两个方面。之后，逐步又开展了一系列关于红外波段、可见光波段、微纳米尺寸光子晶体等研究，除此之外，在光子晶体的制作和加工方面也取得了一定的突破，为其应用于各种光学器件及计算机领域奠定了基础。除此之外，关于光子晶体理论方面的研究也取得了很大的进展。早在20世纪80年代末期，就开始了对光子晶体理论方面的研究。虽然在1987年埃利雅布罗诺维奇和萨耶夫约翰就提出了光子晶体的概念，但直到1989年，埃利雅布罗诺维奇和格米特首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始在这方面的理论研究中大量投入精力。因为光子晶体的结构和电子晶体结构之间有着很大的相似性，因此人们通过对类比法的运用，采用分

11、析电子晶体的方法(结构电磁理论)，类比分析光子晶体的特性，研究发现取得了与实验一致的结果。主要的方法有Planewaveexpansionmethod(PWEM)、TransferMatrixMethod(TMM)Finitedifferencetimedomainmethod(FDTD)和ScatteringMatrixMethod(SMM)等。在国外，光子晶体方面的研究工作迅速升温，与此同时，国内对于光子晶体的研究进程已经达到白热化的阶段，我国的光子晶体研究已经在以实验验证和应用等两大方向为主要的研究方向了，并取得了一些研究成果。其中，包括上海交通大学、中国科技大学、山东大学等高校在内以及

12、部分权威的研究单位都将光子晶体作为主体研究方向并取得了令人瞩目的成果。分析国内外的现状可在，光子晶体是一门正在蓬勃发展的、蒸蒸日上的新学科，光子晶体自被提出发展至今，在理论研究，实验测试，实际应用中都取得了相应成果，但这还远远不够，目前为止基于光子晶体器件的研究始终是一个具有重要应用前景的研究课题。1.4 本设计的目的及意义1.4.1 课题的目的了解光纤色散概念、光子晶体光纤的导光机制以及负向平坦色散原理，根据已有研究工作的思路，提出自己的设计想法，并验证其可实现性。1.4.2 课题的意义光子晶体光纤是一种依赖于微型结构且具有多变性的新型光纤，因此，受到科学家以及社会学者们的广泛关注，成为一个

13、焦点课题。相对于传统光纤，光子晶体光纤具有高双折射、高非线性、高负平坦色散、低损耗等独特的特点，可应用于光纤传感、偏振控制、色散补偿及非线性光学等领域，是21世纪具有良好发展前景的新型材料。1.5 本设计的主要内容为了得到超平坦色散，最简单高效的方式是利用在纤芯中加入一个小的空气孔，能够增强波导色散和材料色散的互相协调，使两种色散作用相互抵消，从而在较宽的波段范围内得到近乎零色散的优异特性。将这个作为主要研究目标，对光纤色散概念、光子晶体光纤导光机制以及负向平坦色散原理等进行基本的研究和探讨，根据已有研究工作的思路，通过模拟分析，最终确定空气孔的大小、椭圆率等参数。第二章光子晶体理论、器件以及

14、分析方法2.1 光子晶体光纤光子晶体光纤主要是带有线缺陷的二维光子晶体中的一种。分布均匀的空气孔组成六角形的微结构，从而形成光纤包层；纤芯线缺陷的主要构成材料以石英或空气孔为主，通过对局域光能力的运用，使得光只能在纤芯内进行传播。因为包层里面的空气流所实现的折射率比是传统光纤远远比不上的，而且空气孔大小和排列顺序的改变都会在一定程度上对光纤特性产生一定影响，所以光子晶体光纤的整体设计显得更灵活一点。2.1.1 光子晶体光纤基本概念光子晶体光纤有多种别称，如微结构光纤和多孔光纤都是其别称，它通过对包层中兖州排列气孔的改变，在一定程度上对光起到一定的约束作用，从而推动光轴向传输目的的实现。由于光子

15、晶体光纤里面多了很多独特的波导结构，所以其具有常规光纤不能达到的诸多特性，比如单模传输特性、非线性特性、色散特性等都是光子晶体光纤独具的。只需要改变相应的物理结构和光纤材料，就会使得光纤的特性或者组合发生一定程度的改变。光子晶体具有传统光纤无可比拟的优势性，具体如下：（1）具有优良的弯曲效应。（2）能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影响数据传输的现象。（3）具有极宽的传输频带，可全波段传输。由此，光子晶体光纤能够大力应用于能量传输、光纤通信和光纤传感等多方面，而且能最大化的影响到光子晶体光纤中实际技术的应用。2.1.2 光子晶体光纤分类按光子光纤的导型机理分类由于光子晶体光纤的导光机理不同，

16、所以有光子带隙光纤（PBG-PCF）和全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）等两种基本分类。（1）光子带隙光纤。石英一空气二维光子晶体形成（六角晶格结构具有二维光子带隙）包层，在大小、间距和周期上都有着严格的要求，纤芯的主要传光通道就是不曾被注意到的空气孔缺陷。相比于传统光纤的导光机制，光子带隙光纤将包层光子晶体进行行射后减少光对于纤芯的传播。一旦光照射到纤芯的包层界面上时，会在空气孔的作用下发生散射。对特定的波长和入射角来说，多重散射形成的主要干涉是推动了光线和纤芯的直接接触，不仅能够满足布拉格条件，而且使得对应波长的光仅能将纤芯作为主要传播区域。如果面对了波长在1.55Um附近的通信光纤，那么光子带隙光纤导光的波长范围主要涵盖在200nm内。因为这种光纤对包层空气孔的要求高，所以具体制作难度相对较大。因为光只能传播于缺陷中，所以光子带隙光纤能够在没有损耗率的情况下进行导光操作，而这对传统光纤来说是无法完成的事情，因此促进的光纤新