1、目录第一章 绪论11.1本设计的背景11.2国内外现状11.3光子晶体的发展21.4本设计的目的及意义31.5本设计的主要内容3第二章 光子晶体理论、器件以及分析方法32.1光子晶体光纤32.2光纤色散概念52.3光子晶体光纤导光机理72.4COMSOLMultiphysics软件7第三章 设计思路以及仿真8第四章总结与展望94.1总结94.3光子晶体的未来9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。光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber，PCF)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
2、，其微结构包层由在二维方向上紧密排列而在轴向结构不变的波长量级空气孔组成。光子晶体光纤表现出很多传统光纤难以实现的特性，因而受到了社会各界的广泛关注，成为近年来光学与光电子学研究的一个焦点。1.1本设计的背景21世纪是信息技术广泛普及的时代。在过去的50年里，对半导体技术的深入研究和广泛应用直接推动了信息产业的迅速发展。作为信息载体的“电子”，在信息传输速率和效率等诸多方面遇到的“瓶颈”问题，越来越引起人们的广泛关注。在此背景下，以光子作为信息载体代替电子的构想被提出了。作为信息载体，光子与电子相比，具有能耗低、效率高、传输速度快、彼此之间无相互作用等许多独特的优点。但是光子很难控制，因而人们
3、期盼寻找一种能够像半导体超晶格这类电子流动的材料，以便于有效地控制光子的运动。因此人们提出了光子晶体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。一旦这一目标变成现实，定将产生不亚于微电子革命所带来的深刻影响，极大地推动社会发展与进步。光子晶体光纤的概念最早是由
4、1987年美国Princeton大学的S.John和美国Bell实验室的E.Yablonovitch分别同时提出。为了得到超平坦色散，研究者们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国内外现状早年间，英国巴斯大学和丹麦工业大学等开展的光子晶体光纤研究工作在理论和实验上都获得了巨大成功，而且以这两所大学
5、的研究小组分别成立的BlazePhotonics和CrystalFibre公司已有产品上市。近几年间，随着越来越多国际上的公司和研究小组的加入，使得光子晶体光纤的这一热点课题的研究内容更加丰富，新的研究成果不断涌现。J.C.Knight等人试验得到了一种零色散波长在700nm的严格单模光子晶体光纤，这种光纤对于利用超短脉冲产生光孤子和超连续谱方面具有重要意义。丹麦工业大学P.A.Anderson等人在一种高非线性平坦色散光子晶体光纤中利用四波混频实现了40Gb/s归零差动相移键控信号的波长转换。随着国外光子晶体光纤研究工作的发展，国内也开始了大量关于光子晶体光纤的研究和测试。燕山大学的侯蓝田教
6、授领导的课题组在国内率先展开了对光子晶体光纤的研究。研究了光子晶体光纤间隙孔对折射率引导型光子晶体光纤基本特性的影响，发现间隙孔的出现可以极大地减小光纤的限制损耗和有效模式面积，同时可以增大非线性系数，使光子晶体光纤的零色散波长向短波方向移动，令光纤在反常色散区的具有更平坦的色散曲线等特性。与此同时，还设计了内包层为椭圆空气孔的色散平坦光子晶体光纤，色散值S在C波段和L波段为0.6lps/nm/km。2007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
7、真发现具有椭圆缺陷的纤芯会使色散曲线趋于平坦。清华大学电子工程系彭江得教授的课题组设计并研制了大芯区的单模光子晶体光纤，并提出了一种新型的用于色散补偿的双芯光子晶体光纤，色散可达-18000ps/nm/km。2012年，天津大学光电子工程学院的王清月教授领导的课题组对光子晶体光纤的宽带连续谱的展宽以及超强非线性效应进行了比较系统和深入的研究测试。2016年，周铭皓等人采用多极法研究了一种包层为椭圆空气孔的光子晶体光纤；同年，李绪友等人提出了一种具有良好的保偏特性的空芯带隙光子晶体光纤(PBF)；比常规的熊猫保偏光纤低两个数量级。随后，北京邮电大学任晓敏等人在实验中发现，当10Gb/s光脉冲序列
8、经过2.163km普通单模光纤被展宽后，用26mPCF对其进行色散补偿，在C波段20nm波长范围内对普通单模光纤能够实现较好的色散斜率补偿。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
9、时分别提出的。光子晶体这一概念提出后，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，光子晶体在美国权威杂志Science上被列为世界上的“十大科学进展”之一；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，有许多机构在进行着光子晶体这一研究工作，其中有不少研究项目是在军方的资助下进行的。由于研究的时间长、范围广，因此各方面都取得了较为显著的成果。自1987年光子晶体概念被提出直至20世纪90年代初期，这个时间段的研究主要是集中在微波波段光子晶体的实验研究和
10、光子晶体禁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类似电子晶体的结构，所以人们通过类比法，采用分析电子晶体的方
11、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，在国内光子晶体方面的研究工作也掀起了一阵热潮。我国对光子晶体的研究已经开始逐步向实验验证和实际应用的方向迈进，并且逐渐成形。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一些著名的研究单位在光子晶体
12、研究方面都取得了令人瞩目的成果。从国内外现状分析，可以说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，成为一个焦点课题。相对于传统光纤，光子晶体光纤具有
13、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。以此为目标，了解光纤色散概念、光子晶体光纤导光机制以及负向平坦色散原理等，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、器件以及分析方法2.1光子晶体光纤光子晶体光纤是一种带有线缺陷的二维光子晶体。光纤
14、包层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组成；纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在纤芯中传播。由于在包层中引入空气孔可以得到传统光纤无法实现的大折射率比，且改变空气孔的大小和排列可以控制光纤光学特性，因此设计上更加灵活。2.1.1光子晶体光纤基本概念光子晶体光纤又名微结构光纤（MicrostructuredOpticalFiber,MOF）或多孔光纤（Holeyfiber,HF），它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的特性。例如无休止的单模传输特性、可控的非线性特性、优异的
15、色散特性以及双折射特性等。通过物理结构或光纤材料的改变、可以实现光纤的某一特性的改变或者实现某些特性的特定组合。与传统光纤相比，光子晶体具有显著的优势，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，光子晶体光纤在能量传输、光纤通信、光纤传感及超连续谱的产生等方面得以广泛应用，并对有关的理论和技术产生了重要的影响。2.1.2光子晶体光纤分类按光子光纤的导型机理分类光子晶体光纤根据其导光机理可以分为两种：一种是光子带隙光纤（PBG-PCF）；另一种是全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）。（1）光子带
16、隙光纤。包层由石英空气二维光子晶体构成（六角晶格结构具有二维光子带隙），具有严格的大小、间距和周期排布，纤芯以额外的空气孔缺陷作为传光通道。光子带隙光纤的导光机制与传统光纤完全不同。它是通过包层光子晶体的布拉格行射来限制光在纤芯中传播的。当光入射到纤芯包层界面上时，会受到包层空气孔的强烈散射。对某一特定波长和入射角，这种多重散射产生干涉从而使光线回到纤芯中，即在满足布拉格条件时，出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播。对于波长在1.55m附近的通信光纤，光子带隙光纤导光的典型波长范围约为200nm。由于这类光纤要求包层空气孔较大,而且要求空气孔排列紧密，因此制备难度较大。由于光只能在缺陷中传播，光子带隙光纤可以实现在几乎无损耗的低折射率纤芯(空气、真空)中导光，这在传统光纤中是不可能的，从而开