850 nm附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.21M 资料格式：docx 举报版权申诉

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中文摘要

ABSTRACT

1. 绪论

1.1 光子晶体光纤的概念

1.2 光子晶体光纤的特性

1.2.1 无截止单模传输特性

1.2.2 可调节的色散特性

1.2.3 高非线性特性

1.2.4 高双折射率特性

1.3 光子晶体光纤的研究现状

1.4 光子晶体光纤的应用前景

1.5 选题的意义与目的

1.6 本论文的主要内容

2. 理论分析与建模

2.1 理论分析

2.2 建立模型

3. 模拟数据与结果分析

3.1 色散特性

3.2 非线性特性

4. 总结

附录

参考文献

致谢

刘棂万

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计中文摘要本文设计了一种在 850 nm 附近的具有平坦色散的光子晶体光纤，850 nm 是光纤通信三个低损耗窗口之一，本文对研究光纤通信具有重要意义。首先系统介绍了光子晶体光纤的概念、各项特性以及应用前景等，然后对光子晶体光纤色散的计算进行了理论说明，接着讲述了如何利用 COMSOL Multiphysics 软件的 RF(射频)模块对光子晶体光纤进行仿真设计，通过改变空气孔的排列和大小可以设计不同的光子晶体光纤，利用软件仿真求得基模有效折射率，并结合 MATLAB 软件进行数据处理，得出该种光纤的色散系数随输入波长的变化关系曲线。关键词：光子晶体光纤，COMSOL Multiphysics，色散平坦 - 1 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计 ABSTRACT In this paper, a kind of near 850 nm with abnormal dispersion of plain photonic crystal fiber, 850 nm optical fiber communications is one of three low loss window, the research has important significance to optical fiber communication. This article first introduces the concept of photonic crystal fiber properties and the application prospect of, and then the photonic crystal fiber dispersion of the calculation of the theoretical instructions, then tells the story of how to use COMSOL Multiphysics software of RF module of photonic crystal fiber simulation design, through the change in the air hole configuration and size can design different photonic crystal fibers, using the software of the basement membrane for effective refractive index, and combined with MATLAB software and data processing, concluded that the fiber dispersion coefficient with the input wavelength of the curve changes. Key Words：Photonic crystal fiber, COMSOL Multiphysics, dispersion flattened - 2 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计目录中文摘要 ................................................................ - 1 - ABSTRACT ................................................................ - 2 - 目录 .................................................................... - 3 - 1. 绪论 ................................................................. - 4 - 1.1 光子晶体光纤的概念 .............................................. - 4 - 1.2 光子晶体光纤的特性 .............................................. - 5 - 1.2.1 无截止单模传输特性 ......................................... - 5 - 1.2.2 可调节的色散特性 ........................................... - 5 - 1.2.3 高非线性特性 ............................................... - 6 - 1.2.4 高双折射率特性 ............................................. - 6 - 1.3 光子晶体光纤的研究现状 .......................................... - 7 - 1.4 光子晶体光纤的应用前景 .......................................... - 7 - 1.5 选题的意义与目的 ................................................ - 8 - 1.6 本论文的主要内容 ................................................ - 8 - 2. 理论分析与建模 ....................................................... - 9 - 2.1 理论分析 ........................................................ - 9 - 2.2 建立模型 ....................................................... - 10 - 3. 模拟数据与结果分析 .................................................. - 13 - 3.1 色散特性 ....................................................... - 13 - 3.2 非线性特性 ..................................................... - 16 - 4. 总结 ................................................................ - 18 - 附录 ................................................................... - 19 - 参考文献 ............................................................... - 27 - 致谢 ................................................................... - 28 - - 3 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计 1. 绪论 1.1 光子晶体光纤的概念光子晶体的概念最早出现在上世纪 80 年代，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，但是直到 1989 年，E. Yablonovitch 和 Gmitter 才首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率处于禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。国际权威杂志《science》于 1999 年在预计所有学科的研究发展趋势时，将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。光子晶体光纤 (photonic crystal fiber，PCF)的概念最早于 1991 年由 Russell 等人提出， 1996 年英国南安普顿大学的 J. C. Knight 等人研制出世界上第一根光子晶体光纤。光子晶体光纤[1]是一种由单一介质构成（通常为熔融硅或聚合物材料）、并且在二维方向上紧密排列（通常为周期性六角形结构）而在光纤的轴向大致保持不变的一种新型光纤。它的包层由波长量级的空气孔周期性排列构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现了对光的传导。由于包层中特殊的空气孔结构，此种光纤又称为微结构光纤（microstructured optical fiber，MOF）或多孔光纤(holey fiber，HF)。光子晶体光纤根据其传输特性可以分为全内反射型光子晶体光纤(total internal reflection PCF)和光子带隙型光子晶体光纤(photonic band gap PCF)，如下图 1-1 所示，其中图(a)是 TIR-PCF，图(b)是 PBG-PCF。光子晶体光纤的导光原理如下：图 1-1 光子晶体光纤（1）全内反射型光子晶体光纤导光原理与常规的 G.652 光纤有所不同，该种光子晶体光纤的包层包含空气，使得周期性包层折射率(空气)小于周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)，从而使光能够在纤芯中传播，这 - 4 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计种结构的 PCF 称为改进的全内反射型光子晶体光纤。（2）光子带隙型光子晶体光纤导光机理在空芯光子晶体光纤中的空气形成了周期性的缺陷，虽然空气芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。 1.2 光子晶体光纤的特性 1.2.1 无截止单模传输特性在传统的阶跃型光纤中，为了保证单模传输，其归一化频率 V 必须满足[2] V= 2πρλ （ncore2 −nclad2 ）12<2.4048 其中，ncore是纤芯折射率，nclad是包层折射率。而利用归一化频率 V 进行光子晶体光纤研究时，T. A. Birks 等[3]提出用孔间距Λ代替上式中的参数ρ，将 PCF 的归一化频率 V 重新 V= 2πΛ 其中nclad为空气填充基模的折射率。传统单模光纤随着纤芯尺寸的增加会会增加传输模式，变成多模光纤，但是对于光子（ncore2 −nclad2 ）12 λ 定义为：晶体光纤，因为使用了空气孔间距Λ和空气填充基模的折射率来代替传统光纤的芯径和包层折射率，2.4048 已经不能再作为判别光子晶体光纤是否单模传输的界限[2]，数值理论计算和实验结果都表明当空气孔直径与孔间距之比 d/Λ的值小于 0.4 时[1]，无论什么波长都能在光子晶体光纤中进行单模传输，似乎不存在截止波长，这就是无截止单模传输特性，更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关。 1.2.2 可调节的色散特性在现代光纤通信中，随着掺铒光纤放大器的使用，光纤传输的损耗问题已基本解决，而影响光纤性能的另一个重要参数则是色散。色散在飞秒激光方面的应用如超短脉冲和超连续光谱的产生等都起着重要的作用。光子晶体光纤的色散特性比较特殊，跟普通的光纤不同的是光子晶体光纤可以由完全单一的材料拉制，所以光子晶体光纤的纤芯和包层在热力学方面可以做到完全匹配，即光纤的包 - 5 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计层与纤芯的折射率差∆n不会由于材料的不相匹配而受到影响。而光子晶体光纤独特的包层结构使得光纤的包层与芯层之间的折射率差∆n比普通光纤大，使得波导色散Dw占光子晶体光纤总色散的比值增大，光子晶体光纤的零色散点就有可能移到可见光波段，Ranka[4]等人的实验就证实了这一点。甚至，可见光波段还能够出现负色散。光子晶体光纤的另一个突出特性就是零色散点可调，只需简单改变光子晶体光纤的结构尺寸，如孔间距Λ、空气孔直径 d 等，就可以在几百纳米的范围内取得零色散。2000 年， J. C. Knight 等[5]展示了零色散点在 700 nm 的大空气孔光子晶体光纤，并研究了多孔光纤的反常色散特性，其结果显示适当设计多孔光纤的各项参数就可以实现在从 500 nm 到 1300 nm 很宽的波长范围内控制零色散点。由于具有可调节的色散特性，各种非线性器件以及色散补偿光纤（可达-2000 ps/km*nm）应运而生。 1.2.3 高非线性特性光子晶体光纤的非线性系数定义为γ=2πn2/（λAeff）其中，n2是材料的非线性折射率系数，Aeff是光纤的有效模面积。 ∆n，极大地减小有效模场面积，从而可以极大地增强光纤中的非线性效应，常规光纤有效 G.652 光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。然而，在光子能隙导光 PCF 中，我们通过减小包层空气孔间距Λ和提高包层空气填充率 f，可以有效地减小光纤芯区的面积，增大纤芯和包层折射率差模面积在 50-100μｍ2 量级，非线性系数大概是在 1/W*km 量级，而光子晶体光纤可以做到 1μｍ2 量级。同时石英和空气之间的折射率差可以增加材料色散，可以使光子晶体光纤零色散点移到 1.3μm 以下。 1.2.4 高双折射率特性几何形状效应和应力感应效应[6]这两种效应是光纤产生模式双折射的主要原因。对于传统的蝴蝶结型光纤以及熊猫光纤，它们的双折射属于应力感应效应，而光子晶体光纤的双折射属于几何形状效应双折射，它是由光纤折射率分布的两个偏振方向上具有不对称性引起的。传统的蝴蝶结型光纤的双折射的典型值为 5×10- 4，前面介绍光子晶体光纤非线性特性时已提到它的包层和纤芯的折射率差∆n可以很大，另外，在利用堆积法来制备光纤时能够很容易地在光纤中引入不对称性，这样就使得光子晶体光纤的模式双折射值可以轻易地比传统光纤大一个数量级以上[7]，当前国际水平甚至已经能够做到 10-2 这一数量级。对于保偏光纤而言，双折射效应越强，它的波长越短，所保持的传输光偏振态就越好。在光子晶体光纤中，只需要破坏它的剖面圆的对称性，使其构成二维结构就可以形成很强 - 6 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，拉制出的保偏光纤比传统的保偏光纤双折射率要高得多。 1.3 光子晶体光纤的研究现状自 1992 年提出光子晶体光纤的概念，1996 年研制出世界上第一根 PCF 以来，英国 Bath 大学(University of Bath)和丹麦工业大学(Technical University of Denmark)等在早期就开展了光子晶体光纤研究工作的大学和科研机构在理论方面以及实验上都成功地踏出了领先的一步，Crystal-fibre 公司和 Blazephotonics 公司分别以这两所大学的研究单位为理论支柱，部分产品已经成功上市。在 2005 年之后，世界上各个国家的很多的大型企业和科研单位都加入到这一热点研究课题，光子晶体光纤从当初的讨论其模式特性的理论分析阶段，开始转向深层理论的研究和在各方面的应用阶段，具体表现在光子晶体光纤越来越多的研究内容和各种新的研究成果展现在人们面前。首先，拉制光子晶体光纤的材料越来越丰富，其材料不再局限于熔石英（Fused Silica），转而采用硫化物(sulfide)、聚合物(polymer)等材料制作光子晶体光纤；PCF 也不在单纯地嵌入空气孔，向光子晶体光纤中掺杂各种材料也得到了广泛研究，同时，空气孔也不再是简单的圆形，椭圆形、正方形等都已有研究，除此之外，相对于传统六边形 PCF，八边形光子晶体光纤的研究也已有论文发表。其次，光子晶体光纤多样的研究内容主要有: 拉制光子晶体光纤时影响损耗的因素，达到降低损耗目的；光子晶体光纤在不同结构时的各项特性的研究，如单芯结构与多芯结构对比两者的色散补偿特性，进行对比选择优化的设计结构。 1.4 光子晶体光纤的应用前景由于光子晶体光纤具有无截止单模、高非线性、高爽折射率等许多传统光纤不具备的优良特性，光子晶体光纤在通信、航空、微加工、生物、印刷、军事、医药、环境等科技领域有极为广泛的应用。在光通信领域，光子晶体光纤的应用涉及到色散补偿、高效率低损耗的光通信连接器以及波分复用器件等，纯石英及传统单模光纤中产生正常色散的波段在光子晶体光纤中能够产生反常色散，由此光子晶体光纤就能进行超短脉压缩以及实现色散补偿等比传统光纤更加优良的性质。前面也提到在通信波段可以实现达到-2000 ps/km*nm 的色散补偿，这种光纤的色散补偿能力是普通标准光纤的几十倍，大大超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力，这一特点对于进一步实现真正的全光通信具有重要的意义。在能量传输方面，对于空芯光子晶体光纤，其光能量主要在纤芯中传播，当光被耦合进入空芯波导光纤中时没有菲涅耳反射，这种光子晶体光纤可以作为高效率光耦合器件[8]。在飞秒激光领域，在普通介质中，正色散以及窄谱带这两个问题使得飞秒光脉冲无法 - 7 -

850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤设计长距离传输，是急需解决的难题。而光子晶体光纤在可见光波段能够实现反常色散[4]的独特特性刚好为解决这两个问题提供了可能。当今时代，更大的光谱范围内产生光孤子成为了研究热点[9]。 1.5 选题的意义与目的光子晶体光纤作为一种新颖的传输介质，由于其结构设计灵活，具有无截止单模、可调节色散和高双折射率等传统光纤不具备的优良特性以及广阔的应用前景，成为当今国际的研究热点。随着波分复用(WDM)技术的发展，各种非线性光器件的性能有了更高要求，光纤作为传输介质，其色散平坦特性直接影响光纤的传输性能，这引起人们的广泛关注。 850 nm 作为三个低损耗光通信窗口之一，在光通信领域重要作用，本文选择设计在 850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤于光通信有重要意义。具有色散平坦特性的光子晶体光纤在光通信领域将会发挥越来越重要的作用。 1.6 本论文的主要内容（1）本文在第 1 章主要介绍了光子晶体光纤的概念、独特的光学特性以及研究现状等方面的内容。（2）第 2 章主要讲述了光子晶体光纤色散方面的理论计算公式以及如何利用有限元软件 COMSOL Multiphysics 进行光子晶体光纤的仿真建模与记录与波长对应的基模有效折射率。（3）第 3 章对求得的数据用 MATLAB 进行拟合求色散系数，得到色散系数随输入波长变化曲线图，最终经过调整，设计了空气孔直径 d=0.6 μm，空气孔间距Λ=1.1 μm，空气孔为 5 层的圆孔光子晶体光纤。（4）最后对全文进行了总结，成功设计了 850 nm 附近具有平坦色散的光子晶体光纤。 - 8 -

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