光子晶體光纖的研究與應(yīng)用

1、山東大學(xué)碩士學(xué)位論文光子晶體光纖的研究與應(yīng)用姓名：薛華申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：無(wú)線電物理指導(dǎo)教師：孔凡敏20080306阿盼肝婭陀陋山東大學(xué)碩士學(xué)位論文縮略名詞索引光子帶隙多孔光纖微結(jié)構(gòu)光纖光子晶體光纖摻餌光纖放大器全內(nèi)反射光子晶體光纖光子帶隙光子晶體光纖平面波展開(kāi)法有限元法時(shí)域有限差分法布里淵區(qū)原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名：茲生日關(guān)于學(xué)位論文使

2、用授權(quán)的聲明本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。（保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）論文作者簽名：斡導(dǎo)師簽名：丕遺山東大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要自從年等研制出第一根光子晶體光纖以來(lái)，眾多的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)投入了大量的人力物力對(duì)光子晶體光纖在理論和實(shí)際應(yīng)用方面進(jìn)行了深入的研究。光予晶體光纖是一種帶有缺陷的二維光子晶體，其纖芯是由石英或空氣孔構(gòu)成的線缺陷，光纖包層是由規(guī)則分布的空氣孔組成

3、，因而光予晶體光纖又被稱為多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖。光子晶體光纖因其全新的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機(jī)制、優(yōu)越的導(dǎo)光特性和靈活的設(shè)計(jì)自由度，成為目前光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文從光子晶體的概念出發(fā)，論述了光子晶體的特征，引入了光子晶體光纖的概念。分別介紹了光子晶體光纖的帶隙型和全內(nèi)反射型的結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)光機(jī)理。并闡述了光予晶體光纖在光通信、光電子和信息處理方面的應(yīng)用，說(shuō)明了研究光子晶體光纖的實(shí)際意義和價(jià)值。在眾多的數(shù)值分析方法中，平面波展開(kāi)法具有簡(jiǎn)單、可靠、高效的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡明了平面波展開(kāi)法的基本原理，并運(yùn)用平面波展開(kāi)法對(duì)光子帶隙型光予晶體光纖的能帶結(jié)構(gòu)、光子帶隙進(jìn)行了分析和計(jì)算，對(duì)全內(nèi)反射型光子晶體光纖的

4、模場(chǎng)、傳導(dǎo)模、輻射模、色散關(guān)系進(jìn)行了分析和計(jì)算，并且利用全內(nèi)反射型光予晶體光纖的“無(wú)截止單?！碧匦耘c光纖尺寸無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)出大模場(chǎng)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其色散關(guān)系分析其傳輸特性。大模場(chǎng)單模光子晶體光纖可以大大降低光功率密度，減小非線性效應(yīng)且不易被擊穿，在高功率傳輸、高功率光纖激光器和放大器方面具有廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光子晶體；光子晶體光纖；光子帶隙；平面波展開(kāi)法山東大學(xué)碩士學(xué)位論文（），硒，：；第一章引言本課題的目的及意義隨著互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，人們對(duì)信息交換的需求日益提高，驅(qū)使光纖通信系統(tǒng)向更高的傳輸速率和更大的容量發(fā)展，上世紀(jì)年代初期，人們攻克了光纖放大的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了摻餌光纖放大器（：）

5、，隨后出現(xiàn)了多種新型光纖放大器和新型參量放大器，大大增加了無(wú)中繼站的光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離，光纖通信系統(tǒng)的有效帶寬也得到了極大提高。然而，隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率進(jìn)一步提高，在長(zhǎng)途光纖干線中，電予器件對(duì)中繼和交換等環(huán)節(jié)的碼速限制問(wèn)題日益突出，制約了光纖通信總?cè)萘康奶岣?，全光通信的?gòu)思應(yīng)運(yùn)而生，即各種光器件以光纖為載體來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸及處理功能，例如人們希望將光纖激光器、光纖放大器、光纖耦合器、光纖光柵濾波器和色散補(bǔ)償器、光緩存器以及光交叉互連組件等各種高性能的全光器件集成到光纖鏈路中，在全光網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信道的復(fù)用和解復(fù)用，光信號(hào)的路由和分組交換等功能。新的技術(shù)趨勢(shì)要求光纖不僅作為光

6、信號(hào)的傳輸媒質(zhì)，而且也是光器件的重要載體，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的轉(zhuǎn)換和控制。顯然，原有的光纖種類難以實(shí)現(xiàn)如此豐富的功能，因而人們發(fā)明了許多特種光纖，如高非線性光纖、色散平移光纖、色散平坦光纖、保偏光纖和雙芯光纖等等，用以提高光纖中的非線性效應(yīng)，補(bǔ)償傳輸網(wǎng)絡(luò)中的色散和偏振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)基于光纖的耦合和濾波功能等等。光子晶體光纖（，）作為一種新型的特種光纖，它的產(chǎn)生和發(fā)展無(wú)疑是近年來(lái)這個(gè)領(lǐng)域最引人注目的重要進(jìn)展之一。隨著理論分析方法基本成熟，制造工藝日益完善，對(duì)的研制熱點(diǎn)正逐步向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。在通信領(lǐng)域，盡毹；由于損耗、價(jià)格等原因，在長(zhǎng)距離傳輸方面，尚不能取代普通光纖，但以其獨(dú)特的傳導(dǎo)機(jī)制和普通光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性

7、質(zhì)將成為下一代光通信器件的重要組成部分。鼉詈毫量鼉量詈皇置皇量鼉一山東大學(xué)碩士學(xué)位論文。薯量國(guó)內(nèi)國(guó)際相關(guān)研究狀況近年來(lái)，引起了英國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、日本和丹麥等各國(guó)研究組的廣泛關(guān)注，很快成為光纖光學(xué)中的研究熱點(diǎn)。所表現(xiàn)出的種種特性，為光通信及相關(guān)領(lǐng)域提供了一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。但是，的研究剛剛起步，許多方面還有待人們進(jìn)一步研究。所涉及到的理論問(wèn)題是十分重要的，例如超快光子在極小空間中與物質(zhì)的作用規(guī)律；在光波長(zhǎng)尺度上物質(zhì)極化特性的周期變化和波動(dòng)對(duì)光子形態(tài)的影響；的奇異特性在各個(gè)領(lǐng)域中，尤其在光纖通訊、全光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的應(yīng)用和自身的科學(xué)問(wèn)題等都是值得探索的重要課題。的制作和基本特性的理解，己經(jīng)取得了很大的

8、進(jìn)展，但如何可靠、精確預(yù)測(cè)的傳輸特性，似乎還沒(méi)有令人完全滿意的數(shù)值模型，而這是技術(shù)成功發(fā)展的一個(gè)基本工具。在這一方面的研究中，以下研究者都提出了相應(yīng)的方法，為理論分析方法提出了有益的思路。有效折射率模型是由等提出，將粗略等效為階躍折射率光纖，這個(gè)方法忽視了截面的復(fù)雜折射率分布，雖然也能給出的深層運(yùn)行規(guī)律，但不能精確預(yù)測(cè)的模式特性如色散、偏振，因?yàn)檫@些特性依賴于空氣孔的分布和大小。利用等提出的全矢量法，可以預(yù)測(cè)的模式特征。該模型中，模場(chǎng)和有效折射率分布都被分解為平面波分量，從而波動(dòng)方程被簡(jiǎn)化為本征值方程，解出后可以得到模式和相應(yīng)的傳播常數(shù)。這個(gè)方法考慮了的復(fù)雜包層結(jié)構(gòu)，可以精確模擬，但它的效率不

9、高，因?yàn)闆](méi)有利用導(dǎo)模的局域化特征，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。等還提出了一種標(biāo)量方法，電場(chǎng)分解為具有局域性的厄密高斯函數(shù)，波動(dòng)方程化為本征值方程，可解得傳播模式和相應(yīng)的傳播常數(shù)，該方法利用了電場(chǎng)模式的局域性特征，比起平面波分解更有效。然而，該方法沒(méi)有給出折射率分布的表示方法，最直接的辦法是將折射率分布預(yù)先存貯在一個(gè)二維網(wǎng)格中，但是這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)牛大量的二維交叉積分項(xiàng)，非常繁瑣。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一高斯函數(shù)，而將空氣孔網(wǎng)格由周期性余弦函數(shù)表示。該方法的效率較高，求解過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。似作為標(biāo)量法，要求

10、的空山東大學(xué)碩士學(xué)位論文氣孔徑與孔間距之比足夠小時(shí)，才能有很精確的結(jié)果，表明它的應(yīng)用范圍還是有限。英國(guó)巴斯大學(xué)（）和丹麥工業(yè)大學(xué)（）最早開(kāi)展的研究工作并已在理論和實(shí)驗(yàn)上獲得了巨大成功。最近幾年，國(guó)際上已有更多的研究小組和公司加入到這一熱點(diǎn)課題的研究中。在國(guó)內(nèi)，燕山大學(xué)在圓滿完成年“”計(jì)劃的特種光纖研制任務(wù)后，聯(lián)合了清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京郵電大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和中山大學(xué)等單位繼續(xù)在新的國(guó)家“”計(jì)劃和“”計(jì)劃的大力支持下，正努力研制由三根以上帶有無(wú)序填充氣線石英介質(zhì)光纖捆綁在一起的集束式復(fù)合，以及利用在石英粉中摻雜高折射率介質(zhì)制成真正意義的三維，預(yù)期它們會(huì)具有更加奇異的特性。目前對(duì)于的研究主要集中在

11、以下幾個(gè)方面：對(duì)的拉制工藝和材料的研究；對(duì)本身的原理、特性及數(shù)值模型的進(jìn)一步研究；產(chǎn)生超連續(xù)光譜及各自非線性特性的研究；各種器件研究等等。論文的主要工作本論文第一章介紹了光子晶體光纖的國(guó)內(nèi)國(guó)際相關(guān)研究狀況，及研究本課題的目的和意義。第二章給出了光子晶體的概念、特征，介紹了光子晶體的分類和應(yīng)用，為下面引入提供了理論基礎(chǔ)。第二章對(duì)理論進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的概述，介紹了的導(dǎo)光原理和特性，并根據(jù)的導(dǎo)光原理將分為兩類，為下一章對(duì)兩類的分析作了鋪墊。第四章運(yùn)用平面波展開(kāi)法對(duì)、兩類光子晶體光纖的能帶結(jié)構(gòu)、光予帶隙、導(dǎo)光特性、模場(chǎng)等進(jìn)行了分析和計(jì)算，并且利用光子晶體光纖的“無(wú)截止單?！碧匦?，運(yùn)用平面波展開(kāi)法設(shè)計(jì)并計(jì)

12、算了大模式面積光予晶體光纖的色散關(guān)系及模場(chǎng)傳輸特性。現(xiàn)將論文的主要研究?jī)?nèi)容和將要取得的結(jié)論歸納總結(jié)如下：在查閱了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，介紹光了晶體及的概念、特性以及研究現(xiàn)狀等理論性問(wèn)題，為下面的行文作鋪墊。本文在前文的基礎(chǔ)上，對(duì)中的傳導(dǎo)機(jī)制和色散等特性進(jìn)行了研究。采用平面波展開(kāi)法對(duì)光了晶體光纖的能帶結(jié)構(gòu)，光了帶隙，能帶和山東大學(xué)碩士學(xué)位論文帶隙圖進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)光子晶體光纖的模場(chǎng)、傳導(dǎo)模、輻射模、色散關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算。光子晶體光纖的“無(wú)截止單模”特性與光纖結(jié)構(gòu)的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)。即當(dāng)改變結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，光子晶體光纖仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實(shí)現(xiàn)大模式面積光纖的途經(jīng)。本文通過(guò)改變纖芯結(jié)構(gòu)，討論了纖芯結(jié)

13、構(gòu)對(duì)模場(chǎng)面積的影響，從而設(shè)計(jì)出大模式面積光子晶體光纖。本論文的分析為光子晶體光纖的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為大模式面積光子晶體光纖的研究和探索提供了理論和模型基礎(chǔ)。由于本人水平有限，文中的錯(cuò)誤和不當(dāng)之處在所難免，懇請(qǐng)專家學(xué)者批評(píng)指正。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章光子晶體概論光子晶體的概念光予晶體這一概念最初是從控制光的自發(fā)輻射角度提出來(lái)的。光的自發(fā)輻射是激發(fā)態(tài)原子躍遷至較低能級(jí)，并以光輻射的形式釋放出能量的一種現(xiàn)象。年】指出，折射率在三維空間以為周期的變化，會(huì)導(dǎo)致在波長(zhǎng)附近，對(duì)所有傳播方向的電磁波存在一個(gè)共同的禁帶，就像晶體中的電子具有能量禁帶一樣。由于光子和原子間的耦合與原子的始末狀態(tài)

14、密度有關(guān)。如果電磁波的帶隙與電子能帶邊重疊，那么電子、空穴的輻射復(fù)合就會(huì)因狀態(tài)密度的減少而被強(qiáng)烈的抑制，介質(zhì)結(jié)構(gòu)在理論上講是沒(méi)有損耗的，這種抑制將會(huì)比金屬波導(dǎo)更為徹底。據(jù)此，可以設(shè)計(jì)一些特殊的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，按照需要來(lái)“剪裁”電磁波的色散關(guān)系，使電磁波的狀態(tài)密度適當(dāng)?shù)帽粔嚎s或增加，甚至使某些狀態(tài)密度為零，相應(yīng)器件的模式就能得到控制，以滿足器件工作的要求。與一般的晶體相類比，把具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定周期排列起來(lái)構(gòu)筑光予晶體，使其中的光子具有與自然晶體中電予相類似的行為，這種具有周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體就稱為光子晶體（，）【】。光子晶體也稱為光予帶隙材料（），也有人把它叫做電磁晶體（）。早在

15、半個(gè)世紀(jì)前，物理學(xué)家就已經(jīng)知道，自然晶體（如半導(dǎo)體）中的電子由于受到原了周期性勢(shì)場(chǎng)的作用，從而在色散關(guān)系上表現(xiàn)出能帶結(jié)構(gòu)，在能帶之間還可能因?yàn)椴祭裆⑸洹径霈F(xiàn)帶隙，如果將具有不同折射率（介電常數(shù)）的介質(zhì)材料按照自然晶體的周期結(jié)構(gòu)排列，類似的現(xiàn)象也存在于光了系統(tǒng)中：在介電系數(shù)呈周期性排列的介電材料中，電磁波在其中傳播時(shí)由于布拉格散射，電磁波會(huì)受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光予能帶結(jié)構(gòu)（）【】。光了晶體概念的提出向人們展示了一種新的控制光了的機(jī)制，給信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)了新的牛機(jī)和活力。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文光子晶體的特征光子晶體最根本的特征是具有光了禁帶（，）【，落在禁帶中的光是被

16、禁止傳播的。光子晶體可能出現(xiàn)兩種不同的帶隙在所有方向上都存在的完全帶隙和只在特定方向上存在的不完全能隙。具體表現(xiàn)為：如果光在整個(gè)空間的所有方向上都有帶隙，且每個(gè)方向上的帶隙相互重疊，則為完全帶隙光予晶體；如果空間各個(gè)方向上都有帶隙但不完全重疊，或只在特定的方向上有帶隙，則為不完全帶隙光子晶體。光子晶體的另一個(gè)主要特征是光子局域【】。如果在光子晶體中引入缺陷（），使原有的周期性受到破壞，與自然晶體的情形類似，原光子帶隙中就有可能出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)（），與缺陷態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的光了可以被局限在缺陷位置，而帶隙中其它頻率的光仍然被禁止。雖然只有完整的光予晶體才具有完全帶隙，但在實(shí)際應(yīng)用中，人們更關(guān)注具有

17、缺陷的光了晶體，因?yàn)閹毒哂邢拗齐姶挪ǖ哪芰?，而缺陷則有引導(dǎo)電磁波的可能，這在光予系統(tǒng)中極具應(yīng)用價(jià)值。光子晶體中引入的缺陷可以是點(diǎn)缺陷、線缺陷或面缺陷。對(duì)于點(diǎn)缺陷而言，由于缺陷四周仍是完整的光了晶體，與缺陷態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的光予只能局限在缺陷附近，因此，一個(gè)點(diǎn)缺陷相當(dāng)于一個(gè)微腔，可以用來(lái)形成高密度、高能量的諧振腔，大大降低諧振腔的損耗和閾值，提高激光的值（圖（）。如果將若干個(gè)點(diǎn)缺陷連接在一起，形成線缺陷，相應(yīng)頻率的電磁波將不能進(jìn)入周圍材料而只能沿著缺陷傳播，相當(dāng)于一段波導(dǎo)（圖（）。利用光子晶體的線缺陷制作集成光路，可以大大降低彎曲損耗，還可以制作波分束器、極窄帶的選頻濾波器等【。同樣，利用光予晶體的

18、面缺陷可以制作高反射鏡等（圖（）。在光子晶體相關(guān)領(lǐng)域中，缺陷態(tài)已成為重要的研究課題。一萋一）點(diǎn)缺陷）錢缺陷）面缺陷圖光予晶體的缺陷光子晶體的分類及制備方法按照空間分布的周期性光予晶體可以分為一維、二維和二維光予晶體，如圖所示。相應(yīng)的，光子帶隙分別出現(xiàn)在單一方向、單一平面和整個(gè)空間內(nèi)。一一一（）一維光子昌體一一澎（）一維光子晶體（）一維光干晶體圖光子晶體的分類（不同灰度代表不同折射率，箭頭所表示為光了帶隙所在的方向）一維光子晶體僅在垂直于介質(zhì)層的方向上具有折射率的周期變化，因而光子帶隙也僅出現(xiàn)在此方向上，使得某些頻率范圍的光子無(wú)法通過(guò)，從而產(chǎn)高效率反射【】。一維光子晶體的應(yīng)用最早也最廣泛，如鍍膜

19、選波長(zhǎng)平面反射鏡、布拉格光纖光柵、半導(dǎo)體激光器的分布反饋式諧振腔等，實(shí)際都是一維光子晶體。二維光子晶體在垂直于介質(zhì)孔（柱）的平面內(nèi)折射率周期變化，具有光子帶隙，而在介質(zhì)孔（柱）所在的方向上折射率無(wú)變化，但其長(zhǎng)度相對(duì)光波長(zhǎng)要足夠大，這樣才能使光束與二維晶格相瓦作用。二維光子晶體的制備相對(duì)容易，可以方便地引入缺陷，實(shí)現(xiàn)與常規(guī)光學(xué)元件（如光源、波導(dǎo)、光纖、光探測(cè)器等）的連接。目前研究較多的是光予晶體平板波導(dǎo)【】和。三維光了晶體是由兩種介質(zhì)在空間三個(gè)維度上交替排列而成的周期性結(jié)構(gòu)，晶格復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)制作具有很大難度。在實(shí)際應(yīng)用中，二維和三維光了晶體有著更廣泛的前景，因此更受到人們的重視。目前實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用

20、的光了晶體都是人工制備的。人工方式制備光予晶體的方法辛要有：精密機(jī)械加工技術(shù)、靜電力自組織牛長(zhǎng)法、逐層疊加方法、激光全息制山東大學(xué)碩士學(xué)位論文作技術(shù)。光子晶體的應(yīng)用光子晶體的發(fā)現(xiàn)提供了一種全新的控制光子傳播的機(jī)制，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都具有重要意義。通過(guò)光子晶體的帶隙以及帶隙中的缺陷可以很方便的禁止或允許一定頻率的光子通過(guò)，這一特性決定了光子晶體有著廣泛的應(yīng)用潛力。年，美國(guó)科學(xué)雜志將其列為十大科技進(jìn)展之一。近年來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)光子晶體研究的不斷升溫，在探索新型結(jié)構(gòu)的光子晶體的同時(shí)，人們也做了大量的關(guān)于光子晶體應(yīng)用的研究工作，其應(yīng)用主要集中在如下幾個(gè)方面。（）光子晶體波導(dǎo)。傳統(tǒng)的光導(dǎo)纖維利用

21、的是光在兩種不同介質(zhì)界面上的全反射原理來(lái)傳輸光波，在彎角處會(huì)有能量損失，這樣限制了光通訊器件的小型化和高密度集成。理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)表明，光子晶體波導(dǎo)可以改變這種情況。在光子晶體中引入線缺陷，則頻率在光子帶隙內(nèi)的光將被限制在這一線缺陷內(nèi)部傳播，這是一種新型的導(dǎo)光機(jī)制【，能量損耗極小。光子晶體波導(dǎo)不僅對(duì)直線路徑而且對(duì)彎角都有很高的效率。其優(yōu)異的導(dǎo)光性能，將使光予晶體在未來(lái)的全光集成電路中起到關(guān)鍵性的作用。（）高效率發(fā)光二極管【】。一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經(jīng)過(guò)包圍它的介質(zhì)無(wú)數(shù)次反射，發(fā)出的光沒(méi)有方向性，大部分光不能有效的耦合出去，發(fā)光效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心放入一塊特制的光子晶體中

22、，并設(shè)計(jì)成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體的光子帶隙重合，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會(huì)進(jìn)入包圍它的光了晶體中，只能沿著特定方向向外發(fā)射，發(fā)射波長(zhǎng)還可以通過(guò)晶格及缺陷尺寸來(lái)進(jìn)行選擇。同時(shí)因?yàn)榘l(fā)光二極管的光都集中在一個(gè)模內(nèi)，單色性和方向性都大大改善。實(shí)驗(yàn)表明，采用光子晶體后，發(fā)光二極管的效率將會(huì)從目前的左右提高到以“】（）高效率低損耗反射鏡。由于光子晶體中不允許光子帶隙范圍內(nèi)的光子存在，所以當(dāng)頻率處于光子帶隙中的電磁波入射到光予晶體表面時(shí)會(huì)被全反射，如果選擇沒(méi)有吸收的介電材料制成完全帶隙光子晶體，則可以反射任何方向的入射波，從而制造出高效率低損耗的反射鏡】。相對(duì)常規(guī)反射鏡，光了晶體可以在任何方向上全

23、反射較寬頻率范圍內(nèi)的電磁波，并且這個(gè)頻率范圍可以調(diào)節(jié)。例如在微波天線中，一般介質(zhì)襯底會(huì)因吸收損耗掉的發(fā)射能量，同時(shí)造成襯底發(fā)熱。如果針對(duì)發(fā)射頻段設(shè)計(jì)出相應(yīng)帶隙的光子晶體作為天線基片，襯底不再吸收微波，從而使能量全部發(fā)射出去。第一個(gè)以光子晶體為襯底的偶極平面微波天線于年在美國(guó)研制成功【】。（）光子晶體微諧振腔。微諧振腔的制作對(duì)光集成有著重要的意義，但由于其尺寸特別小，用傳統(tǒng)的諧振腔制作方法來(lái)制造微諧振腔是相當(dāng)困難的，而且在光波波段，傳統(tǒng)的金屬諧振腔的損耗相當(dāng)大，品質(zhì)因數(shù)很低。如果采用光子晶體就可以制造出品質(zhì)因數(shù)很高的微諧振腔。在一種層堆積的三維光子晶體中引入線缺陷態(tài)便可以構(gòu)造出一個(gè)微諧振腔，這種

24、微諧振腔【】的值隨著光子晶體的層數(shù)的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。（）光子晶體光纖。就是在二維光予晶體纖維的長(zhǎng)度方向上制造缺陷，從而能夠?qū)Ч獾牟▽?dǎo)。與普通的光纖不同，可以只由一種材料制成，缺陷處的折射率可以大于也可以小于包層的折射率。是光了晶體最先研究和開(kāi)發(fā)最快的應(yīng)用。它的寬帶頻單模特性、奇特的色散特性【】為大容量高速傳播提供了保證，且為光孤了傳輸提供了可能性。此外，由于是通過(guò)堆積法制造的，這種方法使得多芯結(jié)構(gòu)能被精確地定位且保持良好的軸向均勻性，而無(wú)須附加額外的工藝，所以特別適合于多芯傳輸。目前研究較多的是硅一空氣結(jié)構(gòu)】，即在由空氣孔和硅材料組成的規(guī)則排列的二維周期性結(jié)構(gòu)【婚】的中心處制造缺陷所形成的導(dǎo)

25、光裝置，其中缺陷可以是實(shí)芯的，也可以是各種形狀的空氣孔。圖是及其傳輸機(jī)理?？偠灾?，綜合利用光了晶體的各種性能，還可以有其他更廣泛的應(yīng)用，如光開(kāi)關(guān)、光放大器、光聚焦器【】等。如果采用金屬、半導(dǎo)體等材料構(gòu)成光子晶體、無(wú)序光予晶體、非線性光予晶體，還會(huì)因特殊材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多特殊性質(zhì)，從而制造出一些新型光學(xué)器件。由于光子晶體的特點(diǎn)決定了其優(yōu)越的性能，因此它極有可能取代大多數(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)產(chǎn)品。光予晶體優(yōu)良的特性，及其在光電子領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，將極大地推動(dòng)光予學(xué)和光電了技術(shù)地飛速發(fā)展。隨著對(duì)光予晶體的深入了解和制作技術(shù)的進(jìn)步，光予晶體將具有更廣闊的應(yīng)用前景。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文圖及其傳輸機(jī)理（）空氣纖

26、芯的一般光纖及傳輸機(jī)理；（）空氣纖芯的及傳輸機(jī)理；（）固體纖芯的及傳輸機(jī)理第三章光子晶體光纖理論概述及分類（，）的概念最早由等人于年提出。它的結(jié)構(gòu)由石英棒或石英毛細(xì)管排列而成的，在中心形成缺陷。所以又被稱為多孔光纖（）或微結(jié)構(gòu)光纖（）。是一種帶有線缺陷的二維光子晶體，光纖包層由規(guī)則分布的空氣孔排列成六角形的微結(jié)構(gòu)組成；纖芯由石英或空氣孔構(gòu)成線缺陷，利用其局域光的能力，將光限制在纖芯中傳播。由于在包層中引入空氣孔可以得到傳統(tǒng)光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大折射率比，而且改變空氣孔的大小和排列可以控制光纖光學(xué)特性，因此設(shè)計(jì)上更加靈活。根據(jù)其導(dǎo)光原理可以分為兩種，一種是光了帶隙光纖（），如圖所示。包層由石英一空氣二

27、維光了晶體構(gòu)成（六角晶格結(jié)構(gòu)具有二維光予帶隙），具有嚴(yán)格的大小、間距和周期排布，纖芯為額外的空氣孔缺陷作為傳光通道。的導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖完全不同，它是通過(guò)包層光予晶體的布拉格衍射來(lái)限制光在纖芯中傳播的。當(dāng)光入射到纖芯一包層界面上時(shí)會(huì)受到包層空氣孔的強(qiáng)烈散射，對(duì)某一特定波長(zhǎng)和入射角，這種多重散射產(chǎn)生干涉從而使光線回到纖芯中，即在滿足布拉格條件時(shí)出現(xiàn)光予帶隙，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光不能在包層中傳播，而只能限制在纖芯中傳播。對(duì)于波長(zhǎng)在，附近的通信光纖，導(dǎo)光的典型波長(zhǎng)范圍約】。瀚光纖結(jié)構(gòu)光纖截面。鬻黿褒黧結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖圖光了帶隙光纖（）結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖山東大學(xué)碩士學(xué)位論文由于這類光纖要求包層空氣孔較大，而且要

28、求空氣孔排列緊密，因此制備難度較大。由于光只能在缺陷中傳播，可以實(shí)現(xiàn)在幾乎無(wú)損耗的低折射率纖芯（空氣、真空或）中導(dǎo)光，這在傳統(tǒng)光纖中是不可能的，從而開(kāi)辟了新的光纖應(yīng)用領(lǐng)域。另一種是改進(jìn)的全內(nèi)反射（）【】，也稱作折射率引導(dǎo)（），如圖所示。包層為空氣和：的周期結(jié)構(gòu)，纖芯為。（或摻雜的：）構(gòu)成實(shí)芯缺陷。由于纖芯折射率高于包層平均折射率【，光波在纖芯中依靠全內(nèi)反射傳播。與傳統(tǒng)的光纖的傳輸機(jī)理類似，但不完全一樣。光纖結(jié)構(gòu)光纖截面一。多沁徽？黧。一”結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖圖全內(nèi)反射（）結(jié)構(gòu)及導(dǎo)光示意圖與傳統(tǒng)光纖的差別在于包層具有與相似的六角形排列的空氣孔，正是這種周期性結(jié)構(gòu)提供了許多獨(dú)特性質(zhì)。由于不依賴光子帶隙

29、，包層中空氣孔并不要求大直徑，排列的形狀與周期性要求也不嚴(yán)格，甚至包層中可為無(wú)序排列的空氣孔，同樣可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)光特性。因此，相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)。目前大多數(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用都是針對(duì)這種類型。當(dāng)然，如果包層空氣孔足夠大，并且選擇合適的晶格結(jié)構(gòu)且排列緊密，導(dǎo)光和導(dǎo)光可以同時(shí)存在于中。最初提出概念的時(shí)候，希望利用光子禁帶效應(yīng)來(lái)導(dǎo)光，但比較兩種，全內(nèi)反射無(wú)論在理解或是制作上都更為簡(jiǎn)單，因?yàn)樗裳赜媒?jīng)典的全內(nèi)反射理解導(dǎo)光機(jī)制，而且不需要精確的空氣孔排列，更適合于制作，故在目前大多數(shù)的研究和應(yīng)用都是針對(duì)全內(nèi)反射型。導(dǎo)光原理與特性傳統(tǒng)光纖中心為摻鍺的石英玻璃構(gòu)成的纖芯，周圍是折射率低于纖芯的由石英玻璃構(gòu)成的包

30、層，由于材料不匹配會(huì)造成損耗，因此纖芯一包層折射率差不能太大。與傳統(tǒng)光纖全內(nèi)反射導(dǎo)光原理不同，可以通過(guò)兩種主要的機(jī)制把光限制在纖芯中傳播。一種是全新的物理效應(yīng)光子帶隙，另一種是改進(jìn)的全內(nèi)反射。規(guī)則排列的光予晶體使得晶格結(jié)構(gòu)在光纖橫截面方向形成了二維禁帶，在一定頻率范圍內(nèi)的光無(wú)法橫向傳播，而當(dāng)該結(jié)構(gòu)中引入缺陷時(shí)，就會(huì)在禁帶中產(chǎn)牛局域態(tài)【。就有可能利用這個(gè)局域態(tài)【】沿著光纖縱向?qū)Ч猓垂庾訋秾?dǎo)光。不過(guò)，禁帶的出現(xiàn)是有條件的，孔直徑和孔間距的大小要大于一定值的時(shí)候才可以出現(xiàn)禁帶。這種導(dǎo)光方式除了要求較大氣孔外，還要求較準(zhǔn)確的氣孔排列。對(duì)于全反射結(jié)構(gòu)，我們可以發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的光纖都是芯部的空氣孔缺失形

31、成纖芯，而外圍的周期性區(qū)域相當(dāng)于包層，纖芯和包層之間存在著有效折射牢差【，光纖在有效折射牢差形成的纖芯和包層中發(fā)生全反射傳播。由于它的導(dǎo)光機(jī)理不同于帶隙結(jié)構(gòu)的，不需要通過(guò)光了禁帶的束縛來(lái)導(dǎo)光，因此它不要求較大的空氣孔，排列的精確程度也要求不大。是基于光予晶體技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新一代傳輸光纖，由于其包層中空氣孔特殊的排列結(jié)構(gòu)使得呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實(shí)現(xiàn)的特性。這些特性突破了傳統(tǒng)光纖光學(xué)的局限，大大拓展了的應(yīng)用范圍。由于結(jié)構(gòu)的可控性滿足了人們對(duì)于不同信號(hào)傳輸特性的需要。因此引起了很多相關(guān)科研領(lǐng)域的極大興趣。無(wú)截止單模特性這是一個(gè)重要的特性。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的階躍型單模光纖，其歸一化頻率礦由下式?jīng)Q定【】：

32、（）（：一以弓）”（一）式中刀。和刀，分別為光纖纖芯和包層材料的折射率，為纖芯半徑，五為光波長(zhǎng)。歸一化頻率決定了模式數(shù)目，當(dāng)時(shí)，光纖才是單模的。對(duì)應(yīng)于山東大學(xué)碩士學(xué)位論文的波長(zhǎng)就稱為傳統(tǒng)光纖的截止波長(zhǎng)，只有當(dāng)工作波長(zhǎng)大于此截止波長(zhǎng)時(shí)光波才能在光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸。而不存在截止波長(zhǎng)，用有效折射率模型可以較好地解釋這一現(xiàn)象。類似于傳統(tǒng)光纖的歸一化頻率，在中，亦可定義一個(gè)等效的歸一化頻率為【】：（罕）（櫛三一玎）忱（）其中療。和刀分別為芯層和包層的等效折射率，為芯層半徑。包層的等效折射率盯可以根據(jù)包層晶胞的等效數(shù)學(xué)模型解出。它是光輻射波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)減小時(shí)，光束截面隨之收縮，光波模式分布向纖芯集中腳

33、】，因此櫛毋增大，從而喬。和押夠的差減小，這就抵消了波長(zhǎng)減小的趨勢(shì)，使趨于定值，從而滿足了單模傳輸條件。理論計(jì)算及試驗(yàn)證明：只要滿足空氣孔徑與孔間距之比小于，就具有無(wú)截止單模特性。更重要的一點(diǎn)是，的無(wú)截止單模特性與光纖結(jié)構(gòu)的絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，只取決于光纖的相對(duì)尺寸。當(dāng)放大或縮小結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實(shí)現(xiàn)大模式面積的途經(jīng)。色散特性具有奇異的色散特性。由于可以由同一種材料構(gòu)成，纖芯和包層間的折射率差不會(huì)因?yàn)椴牧系牟幌嗳荻艿较拗?，從而可以在非常寬的范圍?nèi)取得大的色散。將反常色散區(qū)域從紅外波段拓寬到了可見(jiàn)光波段【，可以實(shí)現(xiàn)波段的零色散波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，如果改變空氣孔的大小和排列，的色散和色

34、散斜率將有很大的改變，例如適當(dāng)增加空氣孔的直徑，可以使零色散點(diǎn)向短波方向移動(dòng)。如：能在很小的波長(zhǎng)處獲得反常色散，同時(shí)保持單模，這是傳統(tǒng)階躍光纖無(wú)法做到的。即：它的零色散點(diǎn)可以大幅度地向短波處推移，目前報(bào)道的單模的的零色散點(diǎn)已達(dá)到左右【。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(wú)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(guò)數(shù)值模擬得到其色散特性。等人的分析計(jì)算表明【引，合理設(shè)計(jì)的可以在帶寬內(nèi)獲得超過(guò)一（）的色散值，可補(bǔ)償為自身長(zhǎng)度倍的標(biāo)準(zhǔn)光纖引起的色散，補(bǔ)償能力是傳統(tǒng)光纖的倍，這預(yù)示著在未來(lái)超寬波分復(fù)用（）的平坦色散補(bǔ)償中能發(fā)揮重要作用【。在中已成功產(chǎn)生了的光孤子，將來(lái)

35、波長(zhǎng)還可以降低，這就為制造可見(jiàn)光波段的光孤子光纖激光器提供了可能。此外，和傳統(tǒng)光纖相比，更易實(shí)現(xiàn)帶寬內(nèi)的色散平坦化，且中心波長(zhǎng)可移，平坦色散值也可以根據(jù)需要為正色散、負(fù)色散或零色散。等人研究了光通信窗口的色散平坦化設(shè)計(jì)，色散平坦寬度接近，并發(fā)展了色散平坦化設(shè)計(jì)理論【每。光學(xué)非線性效應(yīng)由于纖芯與空氣填充的包層之間具有很高的折射率差，使高強(qiáng)度的光集中于纖芯成為可能，這使得在單位長(zhǎng)度上可以獲得高效的非線性。傳統(tǒng)非線性光纖器件由于：非線性效應(yīng)較低，典型長(zhǎng)度往往在量級(jí)?？梢酝ㄟ^(guò)減小纖芯和增大包層空氣填充比來(lái)獲得大數(shù)值孔徑和緊密束縛的模場(chǎng)，既提高了對(duì)光的局域能力，又增加了纖芯單位面積的光功率，更易產(chǎn)牛各種

36、非線性效應(yīng)，從而使同時(shí)具備強(qiáng)非線性和快速響應(yīng)的特性。相關(guān)的非線性效應(yīng)是自相位調(diào)制（），交叉相位調(diào)制（），三階諧波（），四波混頻（），受激喇曼散射（），受激布里淵散射（）。的非線性效應(yīng)中最重要也是最早被研究的是由等人首先觀察到的超連續(xù)譜（，）現(xiàn)象。在他們的試驗(yàn)中，用長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)光纖（零色散波長(zhǎng)在），峰值功率（能量）、脈寬、中心波長(zhǎng)在的超短脈沖，通過(guò)自相位調(diào)制和喇曼散射的共同作用，產(chǎn)牛了單模超寬帶連續(xù)譜（圖）。范圍的平坦山東大學(xué)碩士學(xué)位論文。（）圖在長(zhǎng)中產(chǎn)生的超連續(xù)譜雙折射效應(yīng)高雙折射是利用的傳輸原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造的一種保偏光纖。與普通保偏光纖相似，通過(guò)改變的包層結(jié)構(gòu)參數(shù)可以制作出具有高雙折射率效應(yīng)

37、的，這是傳統(tǒng)保偏光纖所不及的。只要破壞截面的圓對(duì)稱性使其成為二維結(jié)構(gòu)即可，可以通過(guò)減少一些空氣孔或者改變一些空氣孔的尺寸都可獲得高的雙折射率特性。我們可以利用這一特性來(lái)制作偏振時(shí)延產(chǎn)生器件，如型的偏振控制器、偏振模色散仿真器和可變差分群時(shí)延補(bǔ)償器。保偏光纖在長(zhǎng)距離通訊、傳感以及特殊激光器的設(shè)計(jì)方面具有重要應(yīng)用。其原因是平行于雙折射軸的線偏振光可以保持其偏振特性，而不受彎曲引起的應(yīng)力等的影響。保偏光纖的雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，拍長(zhǎng)越短，越能保持傳輸光的偏振態(tài)。傳統(tǒng)光纖雖然具有一些不可控的雙折射（如小扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸等），但一般不能保證光纖中基模場(chǎng)的偏振態(tài)在傳輸過(guò)程中保持不變。它們要取得雙折射的方式主要有

38、兩種：一是使截面非圓形；二是使光纖本身材料具有雙折射，這兩種方法在技術(shù)上都較難實(shí)現(xiàn)。在中，可以輕易實(shí)現(xiàn)高雙折射，只需改變截面的圓對(duì)稱性就能實(shí)現(xiàn)高雙折射，大小空氣孔直徑之比決定雙折射的大小，即使彎曲和形變，也能很好保持傳輸光的偏振態(tài)。圖是英國(guó)大學(xué)的產(chǎn)品【】，研究結(jié)果表明，小孔與大孔孔徑的比值，。時(shí)是普通的，此時(shí)如果周期結(jié)構(gòu)不理想可能有很小的折射率，但一般小于。隨著，。的減小，雙折射增加，使得兩個(gè)垂直偏振模有較大的折射率差。大學(xué)的高雙折射結(jié)構(gòu)參數(shù)為人靠，。，光纖外包層直徑測(cè)量結(jié)果表明，的拍長(zhǎng)為，雙折射度為一。（）豢豢譬！習(xí)一一一（）掃描電撬光纖斷面囝一昌豢豢嗣舅一一?。ǎ┙Y(jié)村圖圖大學(xué)的高雙折射較高

39、的入射功率的全波長(zhǎng)單模特性與光纖絕對(duì)尺寸無(wú)關(guān)，放大或縮小光纖照樣可以保持單模傳輸，這表明可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)計(jì)纖卷面積。英國(guó)大學(xué)研究人員已經(jīng)制作了工作在，纖芯直徑是的單模矧。其纖芯面積大約是傳統(tǒng)光纖纖芯面積倍左右，用于高功率傳輸時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)非線性效應(yīng)。多芯傳輸多芯傳輸有以下個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是提高了信道通信容量，二是利用纖芯導(dǎo)模的相可耦合，可用于復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)、矢量彎曲傳感、定向耦合、聲光調(diào)制、頻譜濾波等。是通過(guò)反復(fù)堆積拽絲制成的，使得多芯的結(jié)構(gòu)能被精確地定位且具有良好的軸向均勻山東大學(xué)碩士學(xué)位論文性，而無(wú)須附加其它工藝?，F(xiàn)在有的科學(xué)家已在這方面做出了些有益地探索，如等人進(jìn)行了這方面的理論和實(shí)驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)改

40、變纖芯位置或空氣孔比重可以很容易獲得具有不同耦合度的多芯光纖。的制作方法及其應(yīng)用研究的制作方法的設(shè)計(jì)自由度很大，例如，纖芯和空氣孔的形狀、大小、位置、孔間距和填充材料等。有了這些自由度，人們可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)出具有不同模式特性、不同非線性、不同帶隙、不同色散和不同雙折射特性的。的制造方法與傳統(tǒng)光纖的制造方法相似，也是用光纖預(yù)制棒拉制而成的。豐要差別在于預(yù)制玻璃棒的橫截面結(jié)構(gòu)。從目前的報(bào)道來(lái)看，豐要是通過(guò)堆積法制造的。其基本步驟如下：先設(shè)計(jì)出橫截面的結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)制出相應(yīng)的細(xì)棒，然后將這些細(xì)棒有規(guī)則地堆積起來(lái)，同時(shí)在其中制造所需的缺陷，再將他們?nèi)廴谥瞥深A(yù)制棒，最后將其拉制成型。年，首先在英國(guó)的南

41、安普敦大學(xué)制作成功【，其制作過(guò)程如下：（）用一根直徑為的石英棒為原材料，然后沿著其軸線方向鉆一個(gè)直徑為的孔，接著將棒研磨成一個(gè)正六棱柱，然后將這個(gè)正六棱柱放在光纖拉絲塔上拉制成直徑為的正六棱柱絲，拉絲溫度在。（）把正六棱柱絲切成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，然后堆積成需要的晶體結(jié)構(gòu)。把他們?cè)僖淮畏诺焦饫w拉絲塔中熔合、拉伸，拉制成空氣孔孔距為左右，形成更細(xì)的石英絲。（）這些細(xì)絲被切斷并堆積成六角形結(jié)構(gòu)，其中心用一根直徑完全相同的實(shí)芯細(xì)絲替換，這樣在光纖中心引入缺陷，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的。在這三個(gè)階段的拉伸過(guò)程中晶胞的縮減因予超過(guò)了，最后被拉成間距的光纖。圖所示就是的拉制過(guò)程。山東大學(xué)碩士學(xué)位論文汛辯剛

42、碲彳善撼幫弧毒圖光予晶體的拉制過(guò)程示意圖；嗍的應(yīng)用研究具有普通光纖不具備的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)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、短波長(zhǎng)光弧了傳輸發(fā)生、超短脈沖激光器放大器、高功率光傳輸、高功率激光器，極短拍長(zhǎng)的偏振保持光纖、光纖傳感和光開(kāi)關(guān)等。有望實(shí)現(xiàn)將光子的波長(zhǎng)變換的愿望轉(zhuǎn)換激光波長(zhǎng)的辦法之一是讓二極管發(fā)出的光穿過(guò)如氫氣之類的拉曼氣體（），這類氣體能通過(guò)振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能階吸收激發(fā)光予，然后發(fā)出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光了。新發(fā)出的頻移（）光予在另一個(gè)激發(fā)光了的協(xié)助下，能在另一顆分予上引發(fā)拉曼效應(yīng)，使其發(fā)出電場(chǎng)與第一個(gè)頻移光予同步的光予：這兩個(gè)光予按此方

43、式繼續(xù)制造其它光予，最后便能產(chǎn)生新的光束【。如果拉曼氣體不吸收而是貢獻(xiàn)光了，則可產(chǎn)牛波長(zhǎng)較短的光。利用光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的想法來(lái)源于巴斯（）大學(xué)。光傳輸中的應(yīng)用的導(dǎo)光機(jī)理利用效應(yīng)，完全不同于不同光纖的全反射傳輸原理，即使在光纖彎曲卜徑較小的地方，只要光波的頻率落在盡帶范圍內(nèi)，它只能然通道進(jìn)行傳播，這時(shí)連接近九十度的光波導(dǎo)的傳輸都是可能的。利用效應(yīng)的，它使光線在空一山東大學(xué)碩士學(xué)位論文暑曼置鼉氣中傳輸，在空氣芯層中孔的內(nèi)壁除外不存在由石英材料引起的本征損耗和由雜質(zhì)引起的雜質(zhì)吸收損耗。傳統(tǒng)光纖幾乎要求光線沿直線傳播，在光纖的彎曲曲率半徑較大的地方，光纖纖芯和包層界面上的全內(nèi)反射條件受到了破壞

44、，形成了折射或模式泄漏，因而在光纖彎曲的地方產(chǎn)生了較大的彎曲損耗。的導(dǎo)光原理是利用效應(yīng)，完全不同于傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射原理，即使在光纖彎曲半徑較小的地方，只要光波的頻率落在禁帶范圍之內(nèi)，就不能在周期性的平面內(nèi)傳播，它只能沿著彎曲的通道進(jìn)行傳播，在這種情況下，接近度的直角光波導(dǎo)都是可能的。當(dāng)采用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中傳輸多個(gè)信道時(shí)，隨著光功率增加，交叉相位調(diào)制和四波混頻等材料的非線性出現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)光纖來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)較難解決的問(wèn)題，而對(duì)于空氣芯層來(lái)說(shuō)，在這種中，由于效應(yīng)，落在頻率禁帶范圍的光不能在包層中傳輸，它只能沿著光纖軸向在空氣芯層中傳輸。光纖的非線性效應(yīng)是由介質(zhì)材料的折射率隨輸入光功率變化

45、引起的，而的傳輸通道是空氣孔，它的非線性效應(yīng)非常小，幾乎也可以忽略。品質(zhì)優(yōu)良的濾波器利用的帶隙特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波優(yōu)良的濾波性能。的濾波帶寬可以做得很大，目前能實(shí)現(xiàn)從低頻（幾乎為）直到紅外的寬帶濾波。在中引入缺陷態(tài)能制造一些可以“通過(guò)的窗口”，這樣頻率落在帶隙中的一些光可以幾乎沒(méi)有損耗地通過(guò)。這一特性可用來(lái)制造高品質(zhì)極窄帶的濾波器，對(duì)于發(fā)展超高密度波分復(fù)用光通信技術(shù)和超高精度光學(xué)信息測(cè)量?jī)x器具有重要應(yīng)用價(jià)值。技術(shù)在光開(kāi)關(guān)與放大器中的應(yīng)用將應(yīng)用于光器件的應(yīng)用研究己經(jīng)很多，包括應(yīng)用在制作激光器、放大器等領(lǐng)域。利用的非線性效應(yīng)制作光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，很好地代表了在這個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用。廣通訊技術(shù)由于具有傳統(tǒng)通信

46、技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)越性，廣泛的應(yīng)用與寬帶交換網(wǎng)和寬帶接入網(wǎng)中。隨著廣通信和密集波分復(fù)技術(shù)的發(fā)展，日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)可靠、靈活的網(wǎng)絡(luò)管理方式要求越來(lái)越高，光交叉互連（）技術(shù)就是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而光開(kāi)關(guān)則是中的關(guān)鍵器件，其技術(shù)水平直接決定這廣通信網(wǎng)絡(luò)的性能，因此對(duì)各種光開(kāi)關(guān)的研究被提到了較高的位置。應(yīng)用制作的光開(kāi)關(guān)（圖）通常稱為非線性環(huán)境光開(kāi)關(guān)（）【。它是應(yīng)用光克爾效應(yīng)和干涉儀的結(jié)合，輸入信號(hào)在光耦合器中分成兩路，一路沿順時(shí)針傳播，另一路沿逆時(shí)針傳播，然后控制脈沖經(jīng)合波器進(jìn)入環(huán)路，由于光纖的非線性效應(yīng)使得順時(shí)針傳播得信號(hào)發(fā)生相移，這樣兩束光在光耦合器中發(fā)生干涉由于存在相位差，使其右側(cè)有光輸出，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)功能。這里需要說(shuō)明的是，這里的光纖只能采用，而不能采用普通光纖。如果采用普通的光纖，這時(shí)光纖的長(zhǎng)度需要好幾千米長(zhǎng)，這樣是不實(shí)用的也不經(jīng)濟(jì)的，而當(dāng)用時(shí)僅僅需要幾十米長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了器件的小型化和實(shí)用化?？刂泼}沖址：址輸入信號(hào)脈沖光耦合器件輸出信號(hào)脈沖圖非線性環(huán)境光開(kāi)關(guān)山東大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章光子晶體光纖的模擬計(jì)算與分析傳統(tǒng)的光纖理論已經(jīng)不再適用于光子晶體光纖，我們必須建立新的理論模型分析其傳輸特性。本章介紹了光子晶體光纖的幾種分析方法，并對(duì)及的特性進(jìn)行了分析。光子晶體光纖的分析方法時(shí)域有限差分法時(shí)域有限差分法彤】（，）是求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的一種最常用的