80131054625403322_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.doc

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—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。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
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。J.C.Knight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P.A.Anderson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0.6~lps/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)模拟仿真发现具有椭圆缺陷的纤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/km。2012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