光子晶體光纖的原理、應(yīng)用和研究進(jìn)展

1、光電子!激光第5(卷第2期&&年2月RaYQhRb,fR_h_gaRYXgp!Qp_aRhs5(URs2!Ql&&!綜述!光子晶體光纖的原理"應(yīng)用和研究進(jìn)展#池灝$曾慶濟(jì)$姜淳上海交通大學(xué)寬帶光網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心$上海&%()摘要*光子晶體光纖%與普通光纖在光纖結(jié)構(gòu)"單模特性"色散特性和非線性特性等方面有著顯著)+,-的差別.本文將簡要分析+并探討其重要特性以及應(yīng)用價(jià)值$最后回顧了近來+/-的原理$/-的研究進(jìn)展.關(guān)鍵詞*光子晶體0光纖0光子晶體光纖%)0多孔光纖0色散補(bǔ)償0非線性+/-中圖分類號(hào)*2(0(3,1,1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼*

2、4文章編號(hào)*52678%&&)262(363*$9:;<=>?ABC<DEF>GHAI:H;ABJKKE>?D<>=CD=LMH?H=<9A;NAHCC$S6$/OPOQRTUVWXYZXP4UV/Y%$m$m/_Y_abRacaRQdeQYd,fXgQhU_iRajXYZk_gYRhRZlQYZQXXQRRYZnYXo_apXlQYZQX&($)/XYQ*%)Q$JGC<AD?<+RRYXggalpQhbXe_ap+/-a_qX_dXbb_a_YbaRrpQYdQadRfXgQhbXe_apXYbXe_apa

3、ga_$s$rRd_faRf_aldXpf_apXRYQYdYRYhXY_QaXlPYXpfQf_a_RalXrfRaQYfaRf_aX_pQYdQffhXgQXRYpsQYda_g_YQdoQYg_pRb_p_bXe_apiXhhe_fa_p_Y_d*0,f0+%)0OR0vtHBu;ALC+RRYXggalpQhXgQhbXe_aRRYXg/alpQh-Xe_a+/-h_lbXe_aXpf_apXRYgRr60URf_YpQXRYYhXY_QaXlw引言晶體天線"光子晶體波導(dǎo)和光學(xué)集成光路0由光子晶體構(gòu)成半導(dǎo)體微腔制備無閾值激光器"損耗反射鏡及濾波器0當(dāng)摻入非線性介質(zhì)進(jìn)

4、$還可望應(yīng)用于光開關(guān)"($3z光限幅"光雙穩(wěn)和光倍頻等y.光子晶體%概念最初由T)s6fRRYXggalpQhxQey5$&zs71年各自提出的.他們hRYRoXg和mRY于5期望$由介電常數(shù)周期分布構(gòu)成的介質(zhì)材料能夠改變其間傳播的光的性質(zhì).類似于半導(dǎo)體材料中$具有周期性電勢(shì)場(chǎng)的原子晶格結(jié)構(gòu)使電子形成能帶結(jié)構(gòu)0光在一維"二維或三維空間中折射率的周期子晶體中$性分布$能夠使得在其間傳播的光子形成禁帶結(jié)構(gòu)$即產(chǎn)生光子禁帶%$.光子之fRRYXgeQYdZQf+cV)于人工周期性介電材料$相當(dāng)于電子之于半導(dǎo)體材光子晶體因此而得名.料$如果光子頻率處于禁帶內(nèi)$光子

5、晶體內(nèi)的原子"分子的自發(fā)輻射和相互作用都會(huì)發(fā)生根本性的變化.另外$當(dāng)光子晶體的周期性遭到破壞時(shí)$在+cV內(nèi)會(huì)使得光子晶體能夠控制光在出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)$其中的傳播.光子晶體的應(yīng)用和潛在應(yīng)用包括*光子光子晶體光纖%的概0)fRRYXggalpQhbXe_a+/-2z念最早由m等人y于5s&年提出.它是ks|pp_hh在石英光纖中沿軸向均勻排列著空氣孔$從光纖端面存在周期性的二維結(jié)構(gòu)$如果其中5個(gè)孔遭到破看$壞和缺失$則會(huì)出現(xiàn)缺陷$光能夠在缺陷內(nèi)傳播.與普通單模光纖不同$+/-是由其中周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成$所以又被稱為多孔光纖%Rh_l或微結(jié)構(gòu)光纖%)6).由于b

6、Xe_arXgaRpaga_dbXe_a可+/-的空氣孔的排列和大小有很大的控制余地$以根據(jù)需要設(shè)計(jì)+所以它激起了/-的光傳輸特性$人們濃厚的興趣.+/-具有特殊的色散和非線性特在光通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.另外$性$+/-中傳輸?shù)墓饽Ｊ今詈先肟諝饪椎膹?qiáng)度與+/-的結(jié)構(gòu)#收稿日期*&5676&國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目%"基金項(xiàng)目*823)應(yīng)用和研究進(jìn)展以及空氣孔中的介質(zhì)有關(guān)!預(yù)示著它可以應(yīng)用于倏逝用作微量氣體傳感"本文首先分析#場(chǎng)器件!$%的導(dǎo)光原理!然后討論#$%的一些重要特性及其主要應(yīng)最后回顧近來國際上的#用!$%主要研究熱點(diǎn)和進(jìn)展"&

7、;()的導(dǎo)光原理如圖*所示的#存在兩種截然不同的導(dǎo)$%中!,-光機(jī)制+最初提出#希望利用#"$%概念的時(shí)候!./效應(yīng)來導(dǎo)光"數(shù)值分析表明!如圖*所示的六邊形晶格結(jié)構(gòu)存在完全的二維禁帶!即在一定頻率范圍內(nèi)光無法在橫向傳播0只有在空氣孔相當(dāng)大的時(shí)候1孔直徑不小于孔間距的2345!禁帶才會(huì)出現(xiàn)"當(dāng)該結(jié)構(gòu)中引入缺陷時(shí)!如圖*中的*個(gè)空氣孔缺失!就會(huì)在禁帶中產(chǎn)生局域態(tài)!#$%就有可能利用這個(gè)局域態(tài)沿著光纖方向?qū)Ч?quot;圖*所示光纖中#./導(dǎo)光已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)"如果空氣孔采用蜂窩狀的分布結(jié)構(gòu)!會(huì)導(dǎo)致更寬的#./!導(dǎo)光方式也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)"采用#./導(dǎo)光!

8、除了要求較大的氣孔外!還要求較精確的氣孔排列"卷模場(chǎng)面積!通過改變孔間距可以調(diào)節(jié)有效模場(chǎng)面積"+調(diào)節(jié)范圍在#如果在$%&()*&波長處約為#!空氣孔中填充合適的非線性材料"會(huì)顯著提高,-.孔的分布和大小!利用M等提出的全矢量法"=1N0>O>0可以預(yù)測(cè),該模型中"模場(chǎng)和有效折-.的模式特征!射率分布都被分解為平面波分量"從而波動(dòng)方程被簡解出后可以得到模式和相應(yīng)的傳播化為本征值方程"常數(shù)!這個(gè)方法考慮了,可以精-.的復(fù)雜包層結(jié)構(gòu)"確模擬,因?yàn)闆]有利用導(dǎo)模的!但它的效率不高"-.局

9、域化特征"分解后會(huì)有很多項(xiàng)!同時(shí)對(duì)截面的折射率分布需要作周期性延拓"可能會(huì)局限其在,-.中的應(yīng)用!電場(chǎng)EPQ=10NO40N等還提出了一種標(biāo)量方法"的非線性!實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)"由峰值功率只有數(shù)2的/011光脈沖!注入5產(chǎn)生了超寬連"#*3%6-.4長的,續(xù)光譜的單模光"帶寬達(dá)到#*從紫光到近紅*7"外!超寬連續(xù)光譜的產(chǎn)生涉及一系列復(fù)雜的非線性過程"與之相關(guān)的因素可能包括極低的有效模場(chǎng)面積89:(#;特殊的色散特性和,!-.的低損耗,-.的一個(gè)重要特點(diǎn)是其奇異的色散特性!例如",-.能夠在波長低于#$<&a

10、mp;獲得反常色散"同時(shí)保持單模"這是傳統(tǒng)階躍光纖無法做到的!反常色散特性為短波長光孤子傳輸提供了可能性!另外"這種光纖也為制做工作在可見光波段的光孤子光纖激光器提供了可能"在,-.中已成功產(chǎn)生了)%*7光孤子"將來波長還可以降低!改變空氣孔的排布和大小",-.的色散和色散斜率會(huì)隨之劇烈的改變!目前"對(duì),-.色散特性的內(nèi)在機(jī)理尚未有透徹的認(rèn)識(shí)"還無法從理論上指導(dǎo)如何設(shè)計(jì),-.獲得需要的色散特性"而只能針對(duì)某種設(shè)計(jì)通過數(shù)值模擬得到其色散特性!/=>?4等的分析表明"合理設(shè)計(jì)的,-.可以獲得#

11、*7帶寬"超過+*A4B7C?的色散值"可補(bǔ)償為自身長度<%倍的標(biāo)準(zhǔn)光纖引起的色散!這預(yù)示著,-.在未來超寬2DE的平坦色散補(bǔ)償中可能扮演重要角色9#+(#F;!,-.還可以應(yīng)用于傳感!通過改變結(jié)構(gòu)"纖芯中的光模耦合入空氣孔的倏逝波強(qiáng)度可以提升到F*G"這使和,-.可用作倏逝場(chǎng)器件!結(jié)合,-.的無休止單模特性"可用于多成分氣體傳感場(chǎng)合"因?yàn)椴煌瑲怏w成分的特征吸收峰可能截然不同9#%;!在,-.中引入多個(gè)缺陷從而形成多芯,-."利用各芯導(dǎo)模的相互耦合"可望用于矢量彎曲傳感中!此外"多芯,-.在定向耦合

12、器8聲光調(diào)制器和頻譜濾波器中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值9#H;!IJKL的研究進(jìn)展對(duì),-.制做和基本特性的理解"已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展"但如何可靠8精確地預(yù)測(cè),-.的傳輸特性"似乎還沒有令人滿意的數(shù)值模型"而這是,-.技術(shù)成功發(fā)展的一個(gè)基本工具!有效折射率模型是由/=>?4等提出"將,-.粗略等效為階躍折射率光纖"而忽視了,-.截面的復(fù)雜折射率分布"雖然也能給出一些,-.的深層運(yùn)行規(guī)律"但不能精確預(yù)測(cè),-.的模式特性如色散8偏振"因?yàn)檫@些特性依賴于空氣分解為具有局域性的厄密R高斯函數(shù)"波動(dòng)方程化為本

13、征值方程"可解得傳播模式和相應(yīng)的傳播常數(shù)"它利用了電場(chǎng)模式的局域性特征"比起平面波分解更有效!然而"它沒有給出折射率分布的表示方法"最直接的是將折射率分布預(yù)先存貯在#個(gè)二維網(wǎng)格中"但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過程中產(chǎn)生大量的二維交叉積分項(xiàng)"非常繁瑣!EP7>P等還提出一種混合方法"將電場(chǎng)和中間折射率缺陷都分解為厄密R高斯函數(shù)"而將空氣孔網(wǎng)格由周期性余弦函數(shù)表示"如圖+所示!該方法的效率較高"求解過程相對(duì)簡單!但作為標(biāo)量法"要求,-.的空氣孔徑與孔間距之比足夠小時(shí)"才能有很精確

14、的結(jié)果"表明它的應(yīng)用范圍還是有限9);!第1期池灝等7光子晶體光纖的原理5應(yīng)用和研究進(jìn)展+1.V+),-!*+!y7*Z+.H3:D(KsSntMTudRQvQoMwxextN*ZY-)+,&!-J:DJ=?izcQTdez:;(=9J=>I=;:(I:F>=?9(=H)-ZZZ),-j71+*H1+Y-CJEf,#J:?|AgY$)*Z,c!-GEE(#kKQTdez:;(=;9J:F>=?E=;F:>:;=?JIEH7)->9(=CJ:FF:J>G;=>=E9;D?9(;Ef,#J:?|Ag*+),-70ZH0*-$)*,c-9;

15、i9K!QTdeA=?=;><=E=C(?:;>=;G3;J9>=:;H=;9=JE=(=?93=?J:E>JG?>GJ:F>=?9(=CJE=>9;:39H和色散特性!指出在長波長區(qū)域光纖能夠支持單模單而無需材料的各向異性"為了解決#偏振傳輸!$%與*+,普通光纖的連接問題!實(shí)驗(yàn)室的研究人員)制&(能夠方便地與標(biāo)準(zhǔn)單做只有極低損耗的錐形#!$%模單模光纖耦合!同時(shí)在錐形#表現(xiàn)出了$%的腰部!平坦的色散特性!以及由于模式面積減小而提高光強(qiáng)!繼而增強(qiáng)非線性!能夠在*-./*-0123窗口產(chǎn)生自頻率遷移拉曼光孤子"4總結(jié)#

16、$%具有普通光纖不具備的優(yōu)點(diǎn)!通過改變空氣孔的大小和排列而使#$%特性改變的可調(diào)節(jié)性!預(yù)示著#$%將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景"#$%的潛在應(yīng)用包括超寬色散補(bǔ)償5短波長光孤子傳輸6發(fā)生5超短脈沖激光器6放大器5高功率光傳輸5高功率#$%激光器"極短拍長的偏振保持光纖5光纖傳感和光開關(guān)等"#$%技術(shù)正處于迅速發(fā)展中!許多設(shè)想要成為現(xiàn)實(shí)!尚有許多工作"參考文獻(xiàn)7)*,89(:;:<=>?A-B;=C=>DEF:;>9;:GE3=EE=:;=;E:(H=DHE>9>FIE=?E9;D(?>J:;=?E)K,-LMNO-PQRS

17、QTT-!*+UV!WX7YZ1+HYZ0Y-)Y,K:;->J:;(:?9(=9>=:;:F:>:;E=;?J>9=;D=E:JHDJDD=(?>J=?EGFJ(9>>=?E)K,-LMNO-PQR-SQTT-!*+UV!WX7Y_U0HY_U+-).,邊超!等-光子晶體等研究進(jìn)展及應(yīng)用前景)K,-光電子技術(shù)與信息!YZZZ!a7*HV-)_,金崇君!等-光子晶體研究進(jìn)展)K,-量子電子學(xué)報(bào)!*+!b71_-)1,cGEE(#>K!QTde-c?;>FJ:JEE=;#:>:;=?$JIEH>9(=CJE)f,-#J:?!g%$

18、YZZZ)$,-a7+UH*ZZ-)0,&h9Ji(<f!QTde-#:>:;=?JIE>9(=CJ!3:D(=;9;D9FF(=?9>=:;E)f,-#J:?g%$YZZ*)$,-j7kG$*-*H.-)V,&=JiEkf!QTde-A;D(EE(IE=;(H3:D#:>:;=?JIEH>9(=CJ)K,-lmTnoOSQTTQpO!*+V!jj7+0*H+0.-)U,q:;J:kq-r:(I:F>=?9(=CJE79;=?=;>3:D9(:GED=EFJE=:;9>UZZ;3)f,-#J:?-$|Ag*+)$,-$#!U

19、6*6Y-)*Y,q:;J:kq!QTde-zF:EE=C=(=>=E=>:(I=CJE)f,-#J:?-g%$YZZZ)$,-a7*Z0H*ZU-)*.,&=JiEkf!QTde-!=EFJE=:;?:3F;E9>=:;GE=;E=;H(H39>J=9(=CJE)K,-"#LMxTxwnoOvQoMwxextNSQTTQpO!*+!70V_H0V0-)*_,%JJ9;D:f!QTde-!E=;=;9F:>:;=?JIE>9(=CJ=>(9>>D?J:39>=?D=EFJE=:;)K,-#eQoTpxwnoOSQTT

20、QpO:F=;:(I=CJE:J<9;E?;>=(DD<=?E)K,-#eQoTpxwnoOSQTTQpO!*+!aW7*UUH*U+-)*0,q9;9;&K!A$FJ=3;>9(E>GDI:DG9(H?:JF:>:;=?;:;HE=(=?93=?J:E>JG?>GJD:F>=?9(=CJE)f,-#J:?g%$YZZ*)$,-j7kG$_-*H.-)*U,>(qK!QTde-#:(9J=9>=:;9;DD=EFJE=<FJ:FJ>=E:(=F>=?9(H:(F:>:;=?JIE>9(=CJ

21、E)K,-s-SntMTHudRQvQoMwxextN!YZZ*!&7_+1H1Z.-)*+,$9;D9(=9K!QTde-fD=9C9>=?:GF(=;=;>9FJD9=JHE=(=?93=?J:E>JG?>GJD:F>=?9(=CJ)K,-"#LMxTxwHnoOvQoMwxextNSQTTQpO!YZZ*!a71YH1_-作者簡介7池灝*+VY()!YZZ*年0月畢業(yè)于浙江大學(xué)并獲博士學(xué)位!現(xiàn)在上海交通大學(xué)博士后!主要從事全光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)與器件的研究*光子晶體光纖的原理、應(yīng)用和研究進(jìn)展作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次

22、數(shù)：池灝， 曾慶濟(jì)， 姜淳上海交通大學(xué)寬帶光網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心,上海,200030光電子·激光JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER2002，13(5)34次參考文獻(xiàn)(19條)1.Yalonovitch E Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics 19872.John S Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices 19873.邊超 光子晶體等

23、研究進(jìn)展及應(yīng)用前景 20004.金崇君 光子晶體研究進(jìn)展 19995.Russell P St J Recent progress in Photonic Crystal fibres6.Bjarklev A Photonic crystal fiber,modelling and applications7.Birks T A Endlessly single-mode Photonic crystal fibre 19978.Monro T M Holey optical fibers:an efficient modal model 19999.Broderick N G R Nonli

24、earity in holey optical fibres10.Russell P STJ Nonlinear optics in photonic crystal fibre:opportunities and challenges11.Ranka J K Efficient visible continum generation in air-silica microstructure optical fibers withanomalous dispersion at 800nm12.Monro T M New possibilities with holey fibers13.Bir

25、ks T A Dispersion compensation using single-material fibers 199914.Ferrando A Designing a photonic crystal fibre with flattened chromatic dispersion 199915.Manro T M Richardson,D J,Bennett,P J Developing holey fibres for evanescent field devices 199916.Mangan B J Experimental study of dual-core phot

26、onic crystal fibre 200017.Hewak D W The fabrication and modeling of non-silica microstructured optical fibers 200118.Steel M J Polarization and dispersive properties of elliptical-hole photonic crystal fibers 200119.Chandalia J K Adiabatic coupling in tapered air-silica microstructured optical fiber

27、 2001相似文獻(xiàn)(10條)1.期刊論文 黃章勇 光纖通信用光子晶體器件(二) -光子技術(shù)2004,""(1)簡介光子晶體及其光纖通信用光子晶體器件(它們分別是光子晶體光纖、光子晶體光波導(dǎo)、光子晶體激光器、光子晶體濾波器和光子晶體波長復(fù)用/解復(fù)用器)的基本工作原理和制作技術(shù)以及目前的研制狀況.2.學(xué)位論文 關(guān)春穎 微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件功能與特性研究 2007微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件在未來的光通信、光傳感和集成光學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。光子晶體(photoniccrystal，PC)最初是由EYablonovitch和SJohn于1987年各自從自發(fā)輻射和光

28、子局域角度獨(dú)立提出來的。它是一種介質(zhì)材料呈周期性分布，變化周期是光波長數(shù)量級(jí)的特殊光學(xué)材料。光子晶體最重要的特點(diǎn)是存在光子頻率禁帶，類似于半導(dǎo)體中的電子禁帶，頻率落在帶隙中的電磁波在光子晶體中是禁止傳播的，利用這一特點(diǎn)它可以實(shí)現(xiàn)任意地控制光子的運(yùn)動(dòng)。因而光子晶體必然成為微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件材料的首選。我們?cè)趯?duì)光纖技術(shù)長期、大量研究過程中產(chǎn)生了“纖維集成光學(xué)系統(tǒng)”的一種新想法和新思路，即大量光學(xué)器件將可能共同集成在同一根光纖中，使之集多種功能于一體，成為一種全光纖化和微型化的集成型信息系統(tǒng)。如何把光子晶體概念更深入的引入到光纖中，對(duì)促進(jìn)光纖集成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本論文圍繞微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件功能與特性

29、展開深入研究，設(shè)計(jì)多種光子晶體器件，并將其引入到光纖中，驗(yàn)證了將光子晶體器件引入到光纖中的可行性，主要工作可概括如下：(1)首先介紹了光子晶體發(fā)展歷程及應(yīng)用前景，接著從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件中光傳輸所遵循的特征值方程，接著詳細(xì)闡述了論文研究中用到的理論計(jì)算方法：平面波展開法(PWE)，時(shí)域有限差分法(FDTD)，有限元法(FEM)和光束傳輸法(BPM)。(2)利用平面波展開法詳細(xì)分析了各種結(jié)構(gòu)光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)特征，討論幾何參數(shù)對(duì)光子帶隙的影響，重點(diǎn)研究了磁導(dǎo)率對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)光子帶隙的影響，結(jié)果表明磁性材料更易產(chǎn)生光子帶隙。(3)設(shè)計(jì)兩種新型完全帶隙光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，研究其

30、界面導(dǎo)模特性，研究左右兩側(cè)晶格結(jié)構(gòu)做橫向拉開和側(cè)向滑移時(shí)對(duì)界面?zhèn)鲗?dǎo)模的影響，計(jì)算結(jié)果表明，不用做任何品格移動(dòng)，兩種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在絕對(duì)帶隙中就有導(dǎo)模存在，兩邊晶格橫向拉開對(duì)導(dǎo)模影響較大，而側(cè)向滑移的影響則較小。(4)分析了介質(zhì)柱排列成方形晶格時(shí)，光子晶體耦合器耦合作用長度、耦合臂間距、耦合臂間散射子形狀變化對(duì)耦合特性的影響，發(fā)現(xiàn)耦合臂間散射子形狀的微擾可以使耦合器的長度大大降低；首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完全帶隙光子晶體偏振和消偏振分束器；然后對(duì)光子晶體MZ干涉儀進(jìn)行了初步的研究，并提出光纖集成光子晶體器件的方案。(5)對(duì)于光子晶體光纖計(jì)算了各種相關(guān)光學(xué)參數(shù)，利用有限元法研究了光子晶體光纖液體傳感器灌輸液體后

31、過渡區(qū)光場(chǎng)分布特性；并理論設(shè)計(jì)多芯光子晶體光纖耦合器功能器件，研究不同結(jié)構(gòu)下纖芯間的耦合特性。(6)首次進(jìn)行了單芯單模光纖與多芯光纖的拉錐耦合機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，單芯與多芯光纖利用拉錐法進(jìn)行耦合是簡單可行的，插入損耗可大大降低。3.期刊論文 黃章勇 光纖通信用光子晶體器件(一) -光子技術(shù)2003,""(2)簡介光子晶體及其光纖通信用光子晶體器件(它們分別是光子晶體光纖、光子晶體光波導(dǎo)、光子晶體激光器、光子晶體濾波器和光子晶體波長復(fù)用/解復(fù)用器)的基本工作原理和制作技術(shù)以及目前的研制狀況.4.會(huì)議論文 吳國鋒 光子晶體及其光纖的發(fā)展動(dòng)態(tài) 2004本文介紹了上世紀(jì)80年

32、代末出現(xiàn)的光子晶體的概念和材料特點(diǎn)、光子晶體光纖的性能及其發(fā)展動(dòng)態(tài).5.學(xué)位論文 孫婷婷 光子晶體光纖激光器和超連續(xù)光源的研究 2008光子晶體光纖起源于光子帶隙思想,卻又隨著不斷發(fā)展而高于帶隙理論。時(shí)至今日,它正以極快的速度影響現(xiàn)代科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。在基于PCF的眾多新型光纖器件之中,稀土摻雜光纖激光器件和超連續(xù)光源是比較具有代表性的兩種。本文從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)角度研究了光子晶體光纖在以上兩方面的應(yīng)用：首先總結(jié)了光子晶體光纖激光器件和超連續(xù)光源的研究現(xiàn)狀；然后利用有限單元方法分析了大模面積光纖中的雙折射特性；理論和實(shí)驗(yàn)研究了稀土摻雜光子晶體光纖激光器和放大器；利用分步傅里葉方法數(shù)值求解非線性薛定

33、諤方程,分析了寬脈沖泵浦在非線性光子晶體光纖中傳輸時(shí)的光譜展寬過程；利用準(zhǔn)連續(xù)/連續(xù)光源作為泵浦,實(shí)驗(yàn)研究光子晶體光纖中的光譜展寬現(xiàn)象并分析了連續(xù)譜的頻域和時(shí)域特性。主要內(nèi)容概括如下：1.詳細(xì)討論了有限單元方法的基本思想和求解過程,利用該方法分析了大模面積光纖中的雙折射特性,提出兩種結(jié)構(gòu)致雙折射大模面積PCF的設(shè)計(jì)：(1)通過在纖芯中引入兩個(gè)小于包層空氣孔尺度的小孔以破壞光纖截面幾何形狀的對(duì)稱性,在有效模場(chǎng)面積大于100m2的光子晶體光纖中獲得10-4的雙折射度；(2)在光子晶體光纖的包層中引入兩個(gè)大尺度空氣孔的同時(shí),在光纖纖芯中引入橢圓形的小空氣孔以降低光纖的多重軸對(duì)稱性。通過這種具有復(fù)合不

34、對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙折射晶體光纖設(shè)計(jì),可以使光纖在具有較大模場(chǎng)面積的情況下獲得10-4量級(jí)的雙折射。2.理論分析了高折射率Bragg光纖的模式特性和色散特性,并討論了其在摻稀土光纖激光器件方面的應(yīng)用。對(duì)拉制出的摻Er3+Bragg光纖進(jìn)行了放大特性的測(cè)試,測(cè)量了前、后向泵浦方式下放大器的小信號(hào)增益和噪聲系數(shù)。使用環(huán)行器和光柵構(gòu)成的環(huán)行腔結(jié)構(gòu),得到了1553.7nm的單波長激光輸出。由于這種摻Er3+的。Bragg光纖之前未見報(bào)道,所以無論在工藝上還是在特性上,都有大量研究工作尚待繼續(xù)進(jìn)行。3.對(duì)摻Y(jié)b3+雙包層光子晶體光纖激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用前向端面泵浦方式,選用二向色鏡和增益光纖端面構(gòu)成F-P

35、腔的結(jié)構(gòu)構(gòu)建了線性腔摻Y(jié)b3+光子晶體光纖激光器。激光最大輸出功率11.69W,斜率效率87。在此基礎(chǔ)上,利用GaAs晶體作為飽和吸收體,進(jìn)行了被動(dòng)調(diào)Q包層泵浦PCFL的研究,獲得了脈沖寬度小于90ns、最大平均功率為5.86W的激光輸出。 4.利用有限單元方法,研究了光子晶體光纖非線性特性的基本理論。系統(tǒng)地分析了光子晶體光纖有效模場(chǎng)面積、光纖非線性系數(shù)和其結(jié)構(gòu)參量的關(guān)系,并討論了非線性系數(shù)隨波長的變化。研究表明,利用石英/空氣大的折射率差,可以設(shè)計(jì)具有小模場(chǎng)面積的光纖來提高非線性系數(shù)。但是,當(dāng)纖芯直徑過小時(shí),能量已經(jīng)不能夠很好地被限制在纖芯中,形成泄漏。在此基礎(chǔ)上,研究了摻鍺纖芯PCF增強(qiáng)的

36、非線性特性,計(jì)算了摻雜濃度和摻雜區(qū)域半徑對(duì)光子晶體光纖非線性系數(shù)、模場(chǎng)分布和色散等性質(zhì)的影響。這對(duì)于制造具有高非線性系數(shù)的PCF具有指導(dǎo)意義。5.利分步傅里葉方法求解非線性薛定諤方程,對(duì)低峰值功率、寬脈沖在光子晶體光纖中的傳輸特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和比較,分析了脈沖傳輸和演化的非線性機(jī)理和超連續(xù)譜展寬特性。通過改變光纖參數(shù)和初始入射條件,發(fā)現(xiàn)在低峰值功率、寬脈沖條件下引起光譜展寬的主要因素是調(diào)制不穩(wěn)定性。在光纖反常色散區(qū),噪聲可以作為調(diào)制不穩(wěn)作用的探測(cè)波加速入射脈沖的破裂,使之形成無序的超短脈沖,進(jìn)而在光纖中繼續(xù)傳輸實(shí)現(xiàn)光譜的展寬。此外,還分析了脈沖功率、光纖非線性系數(shù)、脈沖寬度等因素對(duì)連續(xù)譜的影

37、響。6.以脈沖寬度80ps的激光輸出作為泵浦,通過兩極放大器引入自發(fā)輻射噪聲,在70m高非線性PCF中獲得了通信波段的超連續(xù)譜。在實(shí)驗(yàn)中,觀察到了調(diào)制不穩(wěn)定現(xiàn)象的出現(xiàn),與第四章的理論分析很好地吻合。此外,還將光纖拉曼激光器輸出的連續(xù)光耦合入70m高非線性光子晶體光纖,在入纖功率為4.14W時(shí)得到了1450-1650nm的光譜展寬,輸出平均功率為2W。6.期刊論文 吳國鋒 光子晶體及其光纖的發(fā)展動(dòng)態(tài) -光電子·激光2004,15(z1)本文介紹了上世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的光子晶體的概念和材料特點(diǎn)、光子晶體光纖的性能及其發(fā)展動(dòng)態(tài).基于對(duì)光纖傳輸特性和膠體光子晶體制備方法的研究,提出了用外加電

38、場(chǎng)控制的方法制備光子帶隙位于通訊波段的FCC結(jié)構(gòu)的膠體光子晶體,并用光纖系統(tǒng)測(cè)試膠體光子晶體的帶隙特性.采用RSOFT模擬了膠體光子晶體的帶隙,分析了帶隙位于通訊波段時(shí)所需的膠體微球的基本參量(微球折射率和直徑).采用自組裝的方法,用步進(jìn)電機(jī)控制玻璃基片向上的拉升速率.速率為5 m/s,同時(shí)外加一電場(chǎng).用掃描電鏡觀測(cè)膠體晶體的表面形貌,并設(shè)計(jì)了單模光纖系統(tǒng)測(cè)量膠體光子晶體的帶隙特性.測(cè)試的透射譜線表明膠體光子晶體的帶隙中心波長為1552 nm.測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果具有很好的一致性,誤差只有2 nm.8.學(xué)位論文 馬瓊芳 等效折射率法分析等效雙包層光子晶體光纖特性 2006信息技術(shù)是信息化社會(huì)的主

39、要技術(shù)支撐，目前信息技術(shù)的核心是建立在半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)之上的微電子技術(shù)。對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用直接推動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，但當(dāng)前半導(dǎo)體的發(fā)展正在走向物理上和技術(shù)上的極限，半導(dǎo)體集成電路在速度、效率的提高上受到量子效應(yīng)及電子自身之間相互作用的限制。這些不可逾越的技術(shù)極限對(duì)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)。因?yàn)楣庾蛹夹g(shù)具有高傳輸速度、高密度及高容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)，以光子代替電子作為信息的載體成為長期以來人們的一個(gè)共識(shí)。然而，由于光子不像電子一樣易于控制，長期以來光信息技術(shù)僅僅在信息傳輸(光通信)中得到應(yīng)用，而信息處理的核心部分則依然依賴微電子技術(shù)。光子晶體的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成

40、為可能。光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。最初是在1987年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的雅伯羅諾維奇Yabllolovitch1在討論如何抑制自發(fā)輻射時(shí)提出的，幾乎同時(shí)，約翰John2在討論光子局域時(shí)也獨(dú)立提出。他們最初的想法是找到一種材料能夠改變?cè)谄渲袀鞑サ墓獾男再|(zhì)，就像我們利用半導(dǎo)體材料改變?cè)谄渲型ㄟ^的電子的性質(zhì)一樣。從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。這種材料對(duì)光具有波段選擇特性，即有些波長的光不能在光子晶體中存在或傳輸，因此光子晶體材料具有能夠控制光傳輸?shù)莫?dú)特性質(zhì)，在光電子技術(shù)、光集成技術(shù)、尤其是光通信網(wǎng)絡(luò)中具有十分廣闊誘人的應(yīng)用

41、前景。1999年12月17日，國際權(quán)威雜志Science將光子晶體方面的研究列為當(dāng)年十大科學(xué)進(jìn)展之一。 1992年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖(Photoniccrystalfiber，PCF)的概念。1996年，英國南安普頓大學(xué)的光子晶體光纖由于其獨(dú)特的導(dǎo)光機(jī)制和特殊的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)光纖相比具有更大的設(shè)計(jì)自由度，改變其橫截面的結(jié)構(gòu)就會(huì)顯著影響光纖的特性5,6。目前的理論研究是在確定光子晶體的具體結(jié)構(gòu)組成后定量地得出結(jié)論。已經(jīng)有大量研究工作針對(duì)不同結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的特性進(jìn)行計(jì)算模擬。文獻(xiàn)5中列舉了形式各異的多種橫截面結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，并對(duì)其特性和應(yīng)用做出了分析總結(jié)。文獻(xiàn)7研究了包層氣孔為蜂窩狀排布的光子晶體光纖，并用等效折射率模型解釋了其無休止單模傳輸特性。