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.docx

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(PhotonicCrystalFiberPCF)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0.6~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。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(PB