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专业综合训练

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题目：

光子晶体光纤的单模传输特性

学院（系）：

年级专业：

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指导教师：

教师职称：

燕山大学专业综合训练

院（系）：

理学院基层教学单位：

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习

要

求

1.听从导师安排，海量收集资料信息，并对课题有一个初步的认识。

2.在提炼材料核心观点的同时注意积累，并通过向相关老师的学习，对课题能有更深层次的理解，从而形成比较成熟的观点。

3.最后整理出课题论文，并在答辩环节中能以PPT形式展现这段时间的研究成果。

工

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29个工作日左右

每天工作五小时

工

作

计

划

2011/12/15---2011/12/20：

阅览材料

2011/12/21---2011/12/31：

明确观点

2012/01/01---2012/01/05：

撰写论文

2012/01/06---2012/01/09：

形成PPT

参

考

资

料

1.马锡英.、《光子晶体原理及应用》、北京科学出版社、2010

2.期刊论文、吴国锋、光子晶体与光子晶体光纤的应用、2003

3.谭晓玲,耿优福,王鹏等.八角格子光子晶体光纤传输特性的研究[J].中国激光,2008

4.P．Russell、PhotonicCrystalFibers、Science、2003

5.5.关铁梁、光子晶体光纤，激光与光电子学进展、2002年第39卷第10期

6.MichaelJSteelHonglingRaoaIldR．Scannozzion、CalculatingmicrostmctⅢedoptical6berlossusingtheFinite—DifferenceTime-Domainalgorithm、2003

光子晶体光纤的单模传输特性

Thesinglemodetransmissionpropertiesofphotoniccrystalfiber

摘要：

光子晶体光纤（PCF）是在现代光纤技术的基础上兴起的一个新研究领域,由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、等，使它有着广泛的应用，本文基于介绍PCF的基本概念重点分析其无截止单模传输特性的特性。

关键字：

光子晶体光纤无截止单模传输特性广泛应用

Abstract：

Photoniccrystalfiber（PCF）isinmodernopticaltechnologyonthebasisoftheriseofanewresearchfield,owingtoitscladinatwo-dimensionalphotoniccrystalstructurewithnospecialwayofcontrolcoreoflight,sothatithasalotofexcellentopticalproperties,suchasendlesslysinglemodetransmissionproperties,adjustabledispersionproperty,makeithasthewidespreadapplication,basedontheintroductionofthebasicconceptsofPCFfocusesontheanalysisofendlesslysinglemodetransmissionproperties.

Keywords：

PhotoniccrystalfiberendlesslysinglemodetransmissionpropertiesWidelyused

一、概述

1.1研究背景

操纵光波和声波的流动是人类多年的梦想和追求。

全球高新技术领域的科学家和企业家都期待着新的人工微结构材料对光波的操纵。

从科学技术的角度可以预言，一旦实现这个目标，将可能引发一场21世纪的光子技术革命。

光子晶体和光子禁带理论的出现在观念上给人们极大的冲击，它预示着人们可以像控制电子一样控制光子的流动，并进而可以制造全新的重要的光子器件。

因此，光子晶体被科学界和产业界称为“光半导体”或“未来的半导体”，随着不断地深入研究，一门新的学科和产业将会出现，就像半导体产业大大改变了人们的生活一样，它的发展也将给现代科技和人们的日常生活带来极为深刻的影响。

光子晶体的研究已成为国际学术研究热点之一，发表的论文数目每年以近70％的速度增长，超过了著名的摩尔定律。

从20世纪90年代后期起，光子晶体受到各国政府、军方、学术机构以及高新技术产业界的高度重视。

1999年底，美国《科学》杂志预测未来的十大研究热点，光子晶体位列其中。

当前光纤通信系统正在向以密集波分复用技术（DWDM）为基础的新一代全光通信网络（AON）演进。

实现全光通信的关键在于全光器件。

光纤器件具有与光纤耦合效率高、信号处理全部在光域进行、成本低等优点，已经成为与传统的半导体器件并列的一类重要器件。

1992年，sT．J．Russeu等人【3M哿光子晶体的概念引入到光纤中，提出了光子。

晶体光纤的概念，简称PCF，又称多孔光纤或微结构光纤，从光纤端面看，存在着周期性的二维结构。

其优越特性显示出巨大的发展潜力和应用前景，特别是基于光子晶体光纤的光子器件对于超高速、大容量光通信的发展将具有十分重要的作用，在全光通信器件和系统设计方面展示了广阔的应用前景，是构建新一代全光通信网的支柱和核心技术之一，成为目前国内外的研究热点。

光子晶体光纤已经表现出了一些优异的特性，如它的无波长限制单模传输、色散可控、强非线性效应、强双折射效应、带隙限制空芯导光等诸多新奇特性。

而且，通过改变光纤的几何参数，可以设计出具有超大模面积、大数值孔径、高非线性、高双折射光纤。

特别是一些新式光子晶体光纤器件的设计，将具有重大的意义：

利用光子晶体光纤制作宽带光纤放大器、高功率光纤激光器、宽带可调谐光纤光栅、光衰减器、波长变换器、用于高调制速率数据恢复与整形的光开关；利用光子晶体光纤非线性进行拉曼光纤放大器和激光器的研究将极大拓宽目前光通信用波段范围；利用非线性光子晶体光纤产生超连续谱，从整个可见区到红外，光谱宽度可达到1000nm，对WDM系统的发展具有很大的吸引力；利用在空气孔中填充特殊材料的手段可以制作光衰减器和用于倏逝场传感器件；经过研究合理设计，光纤可以具有平坦的高色散值，这种特性可用于数据传输过程中的色散补偿和管理；利用光纤的非线性和反常色散特性可以产生光波段光孤子等。

除此之外，光子晶体光纤的一些其他特性，如自相位调制（SPM）、四波混频（FwM）、多次谐波、对脉冲压缩等也都具有极大的研究价值。

而具有光子禁带的空芯光子晶体光纤更是具有特殊的性质与应用，由于光是在空气芯中传播的，可以具有超低的损耗和超低非线性，除了在光通信领域的应用外，最近还显示出了在粒子光钳，小体积x一射线源等方面的优势。

光子晶体光纤的这些特殊性质，引起了国际上各发达国家科学家的注意，正在抓紧研究开发。

利用光子晶体光纤制作成光子器件还涉及到一些重要的机理问题和技术问题。

这些机理和技术的研究解决将极大推动光通信领域的发展，提高我国在这个领域的竞争力，对整个国民经济的发展也具有重大意义。

1.2基本概念

光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。

其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。

它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构（它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。

这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs），这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。

第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维光子晶体包层所包围的结构。

这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导；相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。

因此，重要的是要注意到，这些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs），实际上完全不依赖于光子带隙（PBG）效应。

与TIR-PCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。

这些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传播。

相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBG-PCFs）只是在近期才得到实验证明。

　光子晶体光纤又被称为微结构光纤，光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，这种光纤通常由单一介质构成并由在二维方向上紧密排列而在轴向保持结构不变的波长量级的空气孔构成微结构包层，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。

光子晶体光纤有很多奇特的性质。

例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。

光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，因而受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。

图1不同结构的光子晶体光纤

1.3导光原理

光子晶体光纤实际上是一种带有线缺陷的二维光子晶体，该缺陷可以是空气，也可以是二氧化硅，根据引入缺陷的不同，形成了两种导光机制完全不同的光子晶体光纤：

光子带隙PcF和全内反射PCF。

最初提出PcF概念的时候，希望利用光子禁带效应来导光。

如图2左所示的PCF中，在纤芯处引入了一个大空气孔作为缺陷，就会在光子带隙中产生缺陷态，PCF就可以利用这个缺陷态沿着光纤方向导光。

这种光子晶体光纤利用光子带隙导光，因此被称作光子带隙光子晶体光纤（PhotonicBandGapPCF）。

光子带隙PCF对空气孔的大小和排列有很高的要求，只有空气孔相当大（孔直径不小于孔间距的40％），并且空气孔严格按照周期性排列时，光子带隙才会出现。

这种PcF由于制作困难，没有得到广泛的研究和应用。

图2光子带隙光子晶体光纤截面图

第二种导光机制可以称为全内反射机制，它与普通光纤的导光方式类似，这种方式对空气孔排列的精确程度要求较低，也不要求大直径的气孔。

中间空气孔缺失而引起缺陷（图2右），会使中间的缺陷区域和外围的周期性区域出现有效折射率差，从而将光子局域在高折射率纤芯中（如Si02），中间的缺陷相当于纤芯，而外围的周期性区域相当于包层。

这种全反射型的导光机制己经被证实，它并不依赖干周期性结构产生的光子禁带。

在理论上，其他类型的气孔排布也可以达到同样的功能。

因为这种光纤包层含有气孔，与传统实芯Si02不同，且这种光子晶体光纤具有一些传统全内反射光纤所不具备的特性，因而又将其叫做改进的全内反射光子晶体光纤（TotalIntemalRenection．PCF，TIF．PCF）。

这种导光机制的PCF可以沿用经典的全内反射导光机制，可以用类似普通光纤的方法来分析，如有效折射率模型，理解起来较为容易，而且不需要精确的空气孔排列，实现起来相对简单，所以目前大多数的研究和应用都是针对这种类型的PCF。

二、新颖特性——无尽单模传输特性（EndlesslySingleMode）

光子晶体光纤（PCF）横截面上有较复杂的折射率分布,通常含有不同排列形式的气孔,这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度,光波可以被限制在光纤芯区传播。

光子晶体光纤有很多奇特的性质。

例如,可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输;包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质;排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应,这些特点使其迅速成为全世界光通信和光电子学领域科学家关注的前沿热点。

这些特点也使得光子晶体光纤成为好的传输材料,通过改变PCF空芯的大小、排列、形状和间距等参数,实现许多传统光纤所没有的性质。

K.Saitoh等人在2003年提出一种渐变六边形格点的多空光纤,A.H.Bouk等人在2004年提出一种方形结构的微结构光纤,2008年谭晓玲等人又对八角格子光子晶体光纤的传输特性进行了研究,张虎等人对光子晶体光纤的模式特性进行了研究,我国各大研究机构从光子晶体光纤的各个方面进行了理论和实验的研究,取得了一定的成果。

本文应用平面波展开法数值模拟了光子晶体光纤的传输特性,为光子晶体光纤的制作提供了理论依据。

传统光纤存在截止波长，只有传输波长大于截止波长时，才能实现单模传输。

光子晶体光纤引人注目的一个特点是，结构合理设计的PCF具备在337nm至超过1550nm波长范围内都支持单模的特性，它的这个特性被称成为无尽的单模特性（EndlesslySingle—mode）。

传统阶跃光纤导波模数是由归一化频率V确定的，而在光子晶体光纤中也可以类似定义归一化频率

：

其中，a为纤芯半径，，

和

分别为纤芯折射率与包层有效折射率，

是有效纤芯半径。

对于常规光纤，在V<2．045的范围内，光纤为单模。

由于材料折射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的V值与波长差不多成反比，如果缩短工作波长，就会出现多模。

普通单模光纤的截止波长一般大于1um。

对于全内反射光子晶体光纤，在较长波长下工作时，光场分布的边缘扩展到纤芯附近的气孔区域。

如果工作波长缩短，光场向空气孔的渗出就减小，也就是说光场更集中于纤芯位置，所以包层的有效折射率上升，从而接近于纤芯的折射率。

其结果是，随着波长变短，纤芯和包层的折射率差减小，抵消了普通单模光纤中当波长减小时出现多模现象的趋势。

还可以这样认为，当波长降低到一定程度时，模式电场分布基本固定下来，不再依赖于波长，空气孔足够小时，高阶模的横向有效波长远小于孔间距，高阶模从孔间泄漏出去，

值的波长依存性减弱，从而可以在更宽的带宽内实现单模工作。

根据数值计算，对于空气孔按三角分布的全内反射PCF，当空气孔直径d与空气孔间距人（又称跨距）之比不大于0.41，才具备无休止单模传输特性。

当这个比值增大时，单模工作的波长范围逐渐变小，空气孔较大的PCF，将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。

单模工作扩展的意义在于，一方面，对普通单模光纤而言，目前正在使用和开发的C波段（1530—1565mn）、L波段（1570—1620mn）和S波段（1450—1520mn）总带宽只有约150mn，而光子晶体光纤使单模工作波段向短波方向扩展了600—700nm，这为波分复用增加信道数提供了充足的资源。

另一方面，无尽单模特性与光纤的绝对尺寸无关，无论光纤尺寸的放大或缩小，仍可保持单模传输。

这样的单模传输特性使光子晶体光纤非常有用。

当用于传输高光功率时无须担心出现非线性效应，这对利用光子晶体光纤制作光放大器和激光器是非常有吸引力的。

反之，当需要强的非线性效应时，通过改变光子晶体光纤的空气孔间距便可调节有效模场面积，如果在空气孔中填充合适的非线性材料（例如在空气孔中装载气体或低折射率液体），光子晶体光纤会出现较强的非线性性质，这对诸如Ramam器件以及改善全光开关和四波混频的阈值是很有用的。

3、理论和计算方法

平面波展开法主要通过将电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,并将麦克斯韦方程组化为一个本征方程,求解本征值即可得到传播光子的本征频率和本征模态,从而获得光子晶体光纤的传播特性和色散特性。

由Maxwell方程组得到光子晶体光纤传播方程如下:

-------------------------------

（1）

-----------------------------

（2）

通过解方程

（1）和

（2）,经过一系列的变化得到本征方程（3）和（4）,

-------------（3）

------------（4）

公式

（1）—（4）中:

E——电场;H——磁场;w——频率;c——光速;_

——介电常数;k——波矢量;K——波矢;G,G′——倒格矢;A和B——系数。

我们只需要解其中一个方程,求出本征值,就可以算出色散系数

改变

的方向,重复上述步骤,就可以得到光子晶体光纤传播模式图。

光子晶体光纤的色散主要是由于光纤所传输的信号是由不同的模式成分和不同频率成分来携带的,这些不同的模式成分和频率成分传输的速度不相同,在传输的过程中互相散开,致使脉冲波形通过光纤后发生展宽而产生的现象。

它可以用公式（5）来表示。

------------------------（5）

式中:

——晶格周期;

——导模的模式折射率;n0——空气折射率;

——色散。

数值模拟上述方程即可得到光子晶体光纤的色散特性。

4、数值模拟与结果分析

4.1　PCF模型及其纤芯传播模式

光子晶体光纤的模型如图3所示,其基质为二氧化硅,材料折射率n=1.45,空气孔直径d=0.3um,相邻两空气孔中心的间距为

=2.3um,d/

=0.13决定单模输出,图4所示光子晶体光纤纤芯的传播模式图,纤芯保持单模传播,通过傅里叶变换得到远场模式。

图3光子晶体光纤的模型

图4光子晶体光纤的传播模式图

4.2　PCF参数对其传输特性的影响

输入频率对PCF传输特性的影响,也可以说是输入波长对传输特性的影响。

图3数值模拟了k波矢量与频率的变化关系,横坐标为波矢量,纵坐标为频率。

从图中可以看到光子晶体光纤k波矢量与频率的变化关系呈线性变化。

通过改变包层空气孔的大小也可以改变其传输特性,这个主要通过PCF的色散特性表现出来。

图4数值模拟了d/

和光子晶体光纤色散之间的关系。

模拟过程中,通过改变d值的大小得到图4,当d/

=0.1,d/

=0.2,d/

=0.3,d/

=0.4,d/

=0.5,可以看到随着空气孔的增大,色散依

次增大,即损耗增大不利于PCF的传输。

但是由图发现

当

=2.4时出现单一模式,损耗较小,利于PCF的传输。

图5光子晶体光纤k波矢量和频率的关系

图6光子晶体光纤的色散关系

5、小结

光子晶体光纤的模型,数值模拟了光子晶体光纤的传输特性,得到了其传播模式,色散关系,通过改变频率观察波矢量与频率的变化关系,通过改变包层空气孔的大小观察其传输特性,由图发现当eff=2.4时出现单一模式,损耗较小,利于PCF的传输,理论的研究为光子晶体光纤传输器件的设

计提供了理论依据。

六、广泛应用

光子晶体光纤具有许多优于传统光纤的新特性。

目前人们己经利用它的色散、非线性、双折射以及超宽单模传输等特性制作出各种用途的光纤。

丹麦的Crystal—Fiber公司更率先将这种光纤推向市场。

随着对其研究的深入和制作技术的成熟，光子晶体光纤将在未来的光通信中发挥重要作用。

6.1光纤通信

PCF在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：

传输光纤和光器件。

PCF作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。

PCF作为光器件的研究要点是通过调整PCF的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。

众所周知，作为光信号传输介质，无论是G.652光纤还是PCF都应该满足低损耗、小色散和低非线性效应。

与G.652损耗机理相同，PCF损耗主要来源于吸收和散射。

此外，由于PCF结构的特殊性，也自然带来了一些特殊的损耗来源，如模式泄漏损耗和结构缺陷损耗。

人们采取了一系列措施来降低PCF的损耗，主要有

（1）提高芯/包层材料的纯度；

（2）采用减少污染包层材料管的工艺；（3）通过合理设计空气填充比/空气孔数量来降低泄漏模式。

PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性，使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的，尤其对于长途通信系统。

随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进，PCF性能正日趋完善。

特别是K.Tajima等人通过合理设计结构参数，如空气孔直径d和空气孔间距r，以及d/r比值，大道理既减少PCF的衰减，又改善PCF的色散和色散效率的目的。

现在，PCF已经进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段。

2003年初的世界光纤通信会议（OFC）上，日本电报电话公司（NTT）接入网业务系统实验室的K.Tajima等人报道了他们研制出的衰减为0.37dB/km的超低衰减、长长度的PCF。

PCF具有完全的单模特性，可用工作波长范围为0.458—1.7μm。

C.Peucheret等人的研究小组利用5.6km的PCF线路进行工作波长为1550nm的40Gbit/s的传输实验。

这个实验系统所用的PCF的有效面积是72平方μm、衰减为1.7dB/km、色散系数为32ps/（km.nm）。

实验表明，PCF作为光信号传输介质时，系统的性能没有劣化，与G.652光纤相比，PCF最大优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下，色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计。

通过灵活设计PCF的3个特征结构参数：

纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距，我们就可以获得很大的正色散，或者很大的负色散，或极宽波段的平坦色散PCF。

特别是PCF的灵活色散、色散效率补偿带宽管理能量比G.652光纤大几倍，故PCF具有优良的色散补偿性能，有希望代替普通的色散补偿光纤，成为新一代色散补偿光纤。

由于普通色散补偿光纤的芯/包层折射率差小（1.45/1.3），所以其色散补偿能力差。

而PCF的芯/包层差大（1.45/1），因此PCF具有很强的色散补偿能力。

清华大学的研究人员从理论上计算了PCF的色散值，在计算中所选择的PCF结构参数是：

空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。

计算得到，在1.55μmPCF的色散值可以达到-2050ps/（km.nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17ps/（km.nm））,可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2ps/（km.nm））,从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。

因此，PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。

PCF可以构成光纤激光器和光纤放大器，究其理由是通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1--1000μm2的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤更具有优势。

已经取得研究进展的PCF与光纤通信相关应用还有：

光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱发生器等。

6.2超连续产生

利用飞秒脉冲在PCF中产生超连续谱已经广泛应用于光学相干层析、计量学等领域，但大部分实验采用工作在800nm波长的Ti:

sapphire激光器作为泵浦源，因为这种激光器能产生能量达几个nJ的超短飞秒脉冲，只有个别实验利用1560nm波长附近的基于掺铒光纤激光器的飞秒脉冲。

采用掺铒光纤激光器作为泵浦光源不但可以将飞秒超连续技术应用于1560nm附近的通信窗口，而且它比Ti:

sapphire激光系统更小巧、更稳定。

在OFC’2004上，H.Hundertmar等报道了一种全光纤二极管泵浦的铒光纤激光－放大系统，并利用PCF进行了超连