等效折射率法分析等效雙包層光子晶體光纖特性.pdf

1、信息技術(shù)是信息化社會的主要技術(shù)支撐，目前信息技術(shù)的核心是建立在半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)之上的微電子技術(shù)。對半導(dǎo)體技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用直接推動了信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，但當(dāng)前半導(dǎo)體的發(fā)展正在走向物理上和技術(shù)上的極限，半導(dǎo)體集成電路在速度、效率的提高上受到量子效應(yīng)及電子自身之間相互作用的限制。這些不可逾越的技術(shù)極限對信息技術(shù)的進一步發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)。因為光子技術(shù)具有高傳輸速度、高密度及高容錯性等優(yōu)點，以光子代替電子作為信息的載體成為長期以來人們的一

2、個共識。然而，由于光子不像電子一樣易于控制，長期以來光信息技術(shù)僅僅在信息傳輸(光通信)中得到應(yīng)用，而信息處理的核心部分則依然依賴微電子技術(shù)。光子晶體的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。 光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。最初是在1987年由美國貝爾實驗室的雅伯羅諾維奇Yabllolovitch[1]在討論如何抑制自發(fā)輻射時提出的，幾乎同時，約翰John[2]在討論光子局域時也獨立提出。他們最初的

3、想法是找到一種材料能夠改變在其中傳播的光的性質(zhì)，就像我們利用半導(dǎo)體材料改變在其中通過的電子的性質(zhì)一樣。從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。這種材料對光具有波段選擇特性，即有些波長的光不能在光子晶體中存在或傳輸，因此光子晶體材料具有能夠控制光傳輸?shù)莫毺匦再|(zhì)，在光電子技術(shù)、光集成技術(shù)、尤其是光通信網(wǎng)絡(luò)中具有十分廣闊誘人的應(yīng)用前景。1999年12月17日，國際權(quán)威雜志《Science》將光子晶體方面的研

4、究列為當(dāng)年十大科學(xué)進展之一。 1992年，Russell等人根據(jù)光子晶體傳光原理首次提出了光子晶體光纖(Photoniccrystalfiber，PCF)的概念。1996年，英國南安普頓大學(xué)的J.C.Knight等人研制出世界上第一根PCF[3,4]，之后在光纖通信和光學(xué)研究領(lǐng)域中，PCF引起了全世界的普遍興趣。有關(guān)光子晶體光纖的理論研究、相關(guān)實驗和實際應(yīng)用也得到迅速發(fā)展。目前人們的研究方向主要集中在光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計

5、算及性能模擬、非線性效應(yīng)及超連續(xù)譜的產(chǎn)生、高雙折射效應(yīng)及偏振特性、超短脈沖及孤子的產(chǎn)生傳輸?shù)取?光子晶體光纖由于其獨特的導(dǎo)光機制和特殊的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)光纖相比具有更大的設(shè)計自由度，改變其橫截面的結(jié)構(gòu)就會顯著影響光纖的特性[5,6]。目前的理論研究是在確定光子晶體的具體結(jié)構(gòu)組成后定量地得出結(jié)論。已經(jīng)有大量研究工作針對不同結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的特性進行計算模擬。文獻[5]中列舉了形式各異的多種橫截面結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，并對其特性和應(yīng)用做出

6、了分析總結(jié)。文獻[7]研究了包層氣孔為蜂窩狀排布的光子晶體光纖，并用等效折射率模型解釋了其無休止單模傳輸特性。文獻[8]提出具有高非線性和高雙折射特性的光子晶體光纖。文獻[9]設(shè)計了氣孔為方形分布的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，研究了其帶隙特性和模場分布。文獻[10]提出一種新穎的空氣孔輔助導(dǎo)光光子晶體光纖，其結(jié)構(gòu)由高折射率的纖芯和低折射包層以及四個圍繞纖芯的氣孔構(gòu)成，研究表明可以實現(xiàn)常規(guī)光纖所不可能達到的大反常色散和較低的色散斜率，可用于色散補償

7、。而且由于其結(jié)構(gòu)相對簡單，可以制作出較低的傳輸損耗，在1550nm窗口達到了損耗0.41dB/km，色散+35ps/nm/km。文獻[11]研究了纖芯摻雜的全內(nèi)反射型PCF，通過控制摻雜區(qū)域的大小和摻雜濃度，實現(xiàn)了超低、超平坦色散PCF。 本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上，借鑒文獻[7]提出的等效折射率方法，并將該方法進行了推廣，提出一種在光纖包層規(guī)則分布著兩種大小不同的空氣孔的光子晶體光纖模型，將該種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖等效為雙包層光子