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光子晶体光纤的色散模拟论文

光子晶体光纤的色散模拟

摘要

光子晶体光纤由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的一个热门课题.为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，人们发展了许多理论分析方法，这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具，在光子晶体光纤的研究领域占有很重要的地位.

国内外在研究光子晶体方面的文章也非常之多，但是大都注重研究的结论，在众多的文献中能得到好多种光纤的特性信息，但却几乎找不到一种研究方法可以拿来直接用而不用经过和原作者一样的各种知识的繁杂学习的，基于提供一种通用而简单的研究光子晶体光纤的方法，作者通过自己对时域有限差分法(FDTD)和有限元方法的实践探索，总结出利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤数值模拟的一系列简单可行步骤及后处理过程的MATLAB程序，使一般的研究者只要根据本文给出步骤就可以进行各种光子晶体光纤特性的数值模拟。

本论文在系统介绍光子晶体光纤基础知识及各种理论研究方法，并对这些方法优缺点作简单比较的基础上，重点介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤特性数值模拟的具体方法步骤，并应用该方法计算了条形光子晶体光纤和锥形光子晶体光纤的色散特性参数，并对二者做了简单的比较。

【关键词】:锥形、条形光子晶体光纤;色散模拟;COMSOL Multiphysics;数值模拟

摘要 (1)

第一章绪论 (3)

1.1光子晶体光纤简介 (3)

1.1.1光子晶体光纤的概念 (3)

1.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理 (4)

1.1.3光子晶体光纤的制备 (6)

1.1.3.1堆积法 (6)

1.1.3.2挤压法 (7)

1.1.3.3超声波打孔法 (7)

1.2光子晶体光纤的特性 (8)

1.2.1无截止单模( Endlessly Single Mode) (8)

1.2.2不同寻常的色度色散 (9)

1.2.3非线性特性 (9)

1.2.4优良的双折射效应 (10)

1.3光子晶体光纤的研究现状 (11)

1.4光子晶体光纤的应用前景 (11)

1.5光子晶体光纤色散方面的研究 (12)

1.6本论文的内容 (13)

第二章光子晶体光纤的数值模拟 (14)

2.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤 (14)

2.2光子晶体光纤的数值模拟实例 (14)

2.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOL Multiphysics实现过程 (15)

2.2.1.1应用模式的选取与打开 (15)

2.2.1.2模型建立 (17)

2.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置 (18)

2.2.1.4求解参数的设置 (19)

2.2.1.5求解及结果显示与分析 (20)

2.2.2条形光子晶体光纤数值模拟实现过程 (22)

2.2.2.1求解参数的设置 (22)

2.3光子晶体光纤的色散计算 (24)

第三章光子晶体光纤的色散计算结果及分析 (27)

3.1锥形光子晶体光纤色散的计算结果 (27)

3.2条形光子晶体光纤色散计算结果 (28)

第四章总结 (32)

参考文献 (33)

致谢 (36)

第一章绪论

第一根光子晶体光纤是于1996年，由英国Bath大学的J.C.Knight研制出来的，它是一种二维方向上紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。这使光纤的结构发生了革命性的变化，呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，吸引了越来越多研究小组成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。

1.1光子晶体光纤简介

1.1.1光子晶体光纤的概念

光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John最早提出了光子晶体的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

光子晶体光纤(pbotonic crystal fiber;PCF)的概念最早由ST.J.Russell等人于1991年提出它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中5个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤不同，PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以又被称为多孔光纤(holey fiber) 或微结构光纤(micro-structured fiber).由于PCF的空气孔的排列和大小有很大的控制余地,可以根据需要设计PCF的光传输特性，所以它激起了人们浓厚的兴趣。

1.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理

图1-1不同结构的光子晶体光纤

就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。

光子晶体光纤的概念源于光子晶体，它可以视为一种周期结构被破坏的带有线缺陷的二维光子晶体，其纤芯可以为实芯材料或空气，对应不同的导光机制[1]. 根据传导光机理的不同可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)和光子带隙光纤(PBG-PCF)。

折射率引导型光子晶体光纤:

另一种光子晶体光纤的结构是:包层与上述的周期结构相同，但形成周期结构缺陷的纤芯不是空气，而是Si02(或掺杂的Si02)，这种光纤叫做折射率引导型光子晶体光纤(简称TIR-PCF)。

带隙型光子晶体光纤:

从光子晶体的概念出发，光子晶体光纤(PCF)是一种带有线缺陷的二维光子晶体，即光

的周期结构，周期常数(或叫做晶格常数、特征长度)为波长量级。这种纤包层为空气和Si0

基体中沿光纤轴向有规律地分布着许多气孔(确切地说是气线)。通过适结构实际上是在Si0

当设计气孔的位置、大小、间距和占空比，可对某一波段形成带隙。光纤纤芯是破坏了这种

周期结构的缺陷，这种缺陷可以是空气，也可以是Si0

光子晶体自提出以来，就因为其新颖的导光机理及其潜在的诸多应用[2]而成为国际上研究的热点，并取得了许多研究成果[3]，但是在可见光和近红外波段实现光子带隙需要亚微米的晶格长度[2]，对制备工业提出了严格要求。此外，在二维光子晶体研究中，人们常常关注电磁波在周期结构的平面内(in-plane)传播时的光子带隙情况，此时在六角形晶格中产生

完全光子带隙的两种介质的折射率之比不低于2.66[4]。英国B ath大学的P.St.J. Russell小组研究发现，当考虑到电磁波在垂直于二维光子晶体平面的方向(out-of-plane)上有一传播常数

β时，如果β足够大，采用空气孔嵌在熔石英(Si0

)的六角形晶格结构就能够产生完全的光

子带隙[5]。据此，他们在1996年报道了第一根光子晶体光纤[6]，光纤的结构和模式花样分别如图1-1中的A, B所示。

图1-2不同光纤中光传输的机理[7]

然而，实验发现第一根报道的光子晶体光纤并没有期望的光子带隙效应，实现光传输的原理被解释为全内反射[6]。传统光纤通过掺杂使得纤芯折射率高于包层折射率从而实现全内反射，而实芯的光子晶体光纤仅由一种材料构成，包层为空气孔和熔石英所形成的微结构，其有效折射率[8.9]坷氏于纤芯的折射率，因而能够满足全内反射原理(图1-2下图)。

折射率导光机理：周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空心PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。纤芯中传播这种新的机理被称为改进的全内反射(modified total internal reflection)，相应的光纤也被称为折射率引导型光子晶体光纤或全内反射光子晶体光纤。

光子带隙导光机理：利用包层光子晶体对一定波长的光存在光子禁带，光比只能在气芯形成的缺陷中存在和传播，叫做光子带隙效应。

与空芯波导不存在全内反射(图1-2上图)不同的是，理论上具有光子带隙效应的光子晶体光纤能够在低折射率的纤芯内实现低损耗的光传输(图1-2中图)，这种光纤也称为光子带隙光纤。为了实现真正的光子带隙效应，J.Broeng等理论研究[10.11]发现采用图1-1 (E)中的蜂巢结构能够极大地增加光子带隙的宽度，并报道了第一根依赖光子带隙效应实现光传输的

光子晶体光纤[[12]，而且因为带隙的存在，当用白光入射时出射的光纤模式呈现彩色(图1一1 (F))。蜂巢结构的光子晶体光纤的光场并不分布在纤芯中心的空气孔缺陷中，而主要分布在其周围的熔石英区域。通过抽去六角形结构光子晶体光纤中心的七根毛细管来形成纤芯，实现了真正的在空气芯中传光的光子带隙光纤(图1 - 1 (G) )[13.14]，图1-1 (H)是在白光入射时的光纤模式。

空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射.

1.1.3光子晶体光纤的制备

光子晶体光纤的制备技术主要有：堆积法、挤压法、酸腐蚀法、填充法、叠片法和发泡法等。下面我们来简单介绍常用的堆积法、挤压法和超声波打孔法。

1.1.3.1堆积法

现阶段制备光子晶体光纤最主要的方法就是堆积法，特别是以石英为基质的光子晶体光纤。因为是过程中需要许多毛细管堆积成预制棒，然后对预制棒进行拉制，所以称其为堆积法[15] 堆积法拉制光纤的过程和传统光纤拉制过程类似。

堆积法过程如图1-3所示，首先，将中间带有空气孔的石英棒拉制成为所需尺寸的毛细管，将毛细管截断置适宜的长度后，紧密地堆积在套管(即中心有空芯的石英棒)中，如果毛细管和套管的径向尺寸合适，则毛细管自然形成三角形结构排列。其次，中心的毛细管管去掉或者用实心棒替代，以便形成缺陷，然后将这些堆积好的毛细管放到尺寸合适的薄壁石英管中，并用毛细管将空隙填满，形成一根预制棒。最后，将预制棒放到拉丝机上进行拉丝。由于受到预制棒夹具的限制和拉丝机最大拉丝倍数的限制，经过一次拉制的光子晶体光纤

的尺寸有时并不能满足要求，就需要在一次拉制的光纤外部再套一层套管，进行二次拉制。堆积法预制棒的制作过程简单，传统光纤的拉制设备就可满足光子晶体光纤的制备，所以得到了很好的应用[16]。

图1-3预制棒的拉制示意图

1.1.3.2挤压法

采用挤压成型的方法制作光子晶体光纤预制棒。该方法是将模具直接固定在光纤拉丝塔上方热源处。利用其体来进行加压，使熔融的玻璃通过模具，形成包含有空气孔结构的预制棒，挤压出的玻璃直接进入拉丝塔，在形成预制棒，然后使用制作好的预制棒进行光纤的拉制，这样制备出的光子晶体含有两圈的空气孔围绕着中心的实心棒。

然而，用挤压法制备复杂结构的光纤仍就是一大挑战，例如包层超过三圈的多孔结构,这个时候由于温度的变化，就会引起表面张力、热变形和玻璃流过模具发生的紊乱，制作保证孔位置精确的微结构就有些困难了,另外，由于金属模具在压制过程中会造成表面的污染，这也增加了微结构光纤的损耗。所以挤压法在制作光子晶体光纤复杂结构的时候，就会遇到很大的问题，应该在此基础上改进这种方法。

1.1.3.3超声波打孔法

由于光子晶体光纤具有复杂的二维多孔结构，所以打孔法是制作复杂多孔结构的很好选择[17].Yablonovitch利用在一块折射率为3.6的绝缘体材料上打孔的方法，制成了世界上第一例人工光子带隙晶体。但是这种方法也有明显的缺点，众所周知玻璃是一种的易碎材料，它有较弱的张力和弯曲性，在打孔的过程中，沿半径方向有任何裂缝它都易于折断。同时在石英微结构光纤发展的早期阶段，由于毛细管堆积技术的快速成功，传统制作石英微结

构多孔预制棒的打孔方法也慢慢地被淘汰了。

随着科学技术的发展，在新技术的改良下，南安普敦大学光电研究中心提出一种利用超声波打孔机制作微结构多孔预制棒的新方法，如图1-4所示，使用材料为硅酸铅玻璃，利用旋转声波打孔机对微结构预制棒进行打孔。这种预制棒外径14 mm，长60 mm，包层孔直径为2.4 mm，包层为两层共有18个包层孔，相邻孔间的最薄部分厚度仅为400±20μm。

图1-4超声波打孔法制得的预制棒的截面图

1.2光子晶体光纤的特性

PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:

1.2.1无截止单模( Endlessly Single Mode)

传统光纤的归一化频率V决定了模式数目，当V<2.405时光

纤是单模的[18]首次首报道的光子晶体光纤具有所谓的无限单模特性[6]光纤在337 nm到1 550 nm波长范围内都是单模的。类似于传统光纤的归一化频率，采用有效归一化频率VPCF 作为光子晶体光纤的单模传输条件：

式中p是纤芯的半径，λ是真空中的波长，是纤芯的折射率，是包层的有效折射率。

包层的有效折射率不是包层材料折射率的简单平均或加权平均，而是由光场的分布决定的。波长减小使得光场越来越集中在折射率较高的石英区域中，因而提高了，其效果是降低了芯层和包层的折射率之差，使得归一化频率VPCF趋于定值，从而满足了单模传输条件。

如果空气孔直径d与空气孔间距Λ之比足够小，光子晶体光纤就是单模的，而且与光纤的绝对尺度无关(VPCF的值不一定为传统光纤理论中的2.405)，数值计算和实验结果表明单模的范围约为d/Λ≤0.45[6]。这样，设计大模式面积的单模光子晶体光纤就成为可能[19]，这对传输高能量的激光脉冲极为有利，同时在实现高功率的光子晶体光纤激光器和光子晶体光纤放大器等方面具有重要的作用。

传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性。这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤) ,低非线性通信用光纤,高光功率传输

1.2.2不同寻常的色度色散

色散是波导的一个重要参数。它对飞秒激光的诸多应用如孤子传输、超短脉冲产生、超连续光谱产生和谐波产生等都起着重要的作用。普通石英光纤的零群速度色散(Group Velocity Dispersion，GVD)一般在1.27μm以上。G.653标准零色散位移光纤和G.655标准非零色散位移光纤的零色散点都向长波方向移动。与普通光纤不同，光子晶体光纤可以由单一材料制成，因此纤芯和包层在力学与热学上是可以做到完全匹配的，也就是说，纤芯和包层的折射率差不会由于材料的不相容性而受到限制。光子晶体光纤由于其包层的独特结构使得芯层和包层的折射率差增大，从而波导色散对光纤色散的贡献变大，结果光子晶体光纤在可见光波段具有零色散点甚至能够出现负色散，这一点在Ranka等人的实验中得到了证实[20]。在纯石英及传统单模光纤中产生正常色散的波长上，在光子晶体光纤中都可以实现反常色散，基于此人们可以实现孤立子传播、进行色散补偿和超短脉压缩等。Birks等人经过计算得出在通信波段-2 000 ps/km/nm的色散是可能实现的，据此能够得出这种光纤可以补偿其长度几十倍的标准光纤的色散，这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力。

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微结构尺寸，就可以在几百纳米的范围内取得零色散。Knight等研究了多孔光纤的反常色散特性[21]，其结果显示适当设计多孔光纤的参数就可以实现在从500 nm到1 300 nm很宽的波长范围内控制零色散点。Knight等还给出了零色散波长与纤芯直径的关系曲线，并指出适当设计纤芯直径就可以在极宽的波长范围内调节零色散点。Knight等进一步指出减小包层中空气洞的大小可以减小零色散点处群速度色散的斜率。这就使得在波长大于800 nm处设计平坦反常色散曲线成为可能[22]

真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯PCF 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活,只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。如零色散波长可移到短波长,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。

1.2.3非线性特性

光子晶体光纤的非线性效应是当前研究的一个热点，以超连续光谱的产生、光孤子效应

和频率变换等为代表的非线性特性，在实验方面和理论研究中，已大大丰富了原有非线性光纤光学的内容[23]。

第一代非线性是指，在高功率密度激光的作用下产生光学非线性效应，但相互作用距离很短。第二代非线性是指传统光纤这样的光学介质，它使相互作用距离扩展到几十米，但是光纤的色散使光脉冲变宽，光功率密度下降。但是第三代非线性光学介质，光子晶体光纤就很好的解决了这两者的问题，既能够保持激光的高功率密度和相互作用长度，又能够保持脉冲宽度不变。

通过减小光子晶体光纤的纤芯面积可以极大地增强光纤中的非线性效应，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。

若光子晶体光纤的零色散点移到800 nm附近时，也就是常用的钛蓝宝石(Ti:sapphire)飞秒激光器的工作波长，那么飞秒激光器产生的超短脉冲在光子晶体光纤中传输时能够保持极高的峰值功率，从而产生丰富的非线性效应[24]。

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，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的PCF奠定了技术基础。

1.2.4优良的双折射效应

在光子晶体光纤的各种效应中，双折射效应[25]带给了我们很多实用的效应。由于前面提到了，光子晶体光纤的包层和纤芯易于获得高的折射率差，再根据保偏光纤的结构特点，因而非常适宜制作具有高双折射特性的光纤。

光子晶体光纤的双折射属于形状双折射，它是由光纤折射率分布在两个偏振方向上的不对称性引起的。高双折射光子晶体光纤与传统的熊猫型，蝶结型光纤相比，它的突出优点有很多，容易控制保持偏振性能，表征性强，设计自由度大。这种光纤的制作工艺简单，成品

率高，成本低。传统保偏光纤双折射的典型值为5×104-，光子晶体光纤的双折射一般可做到1×103-。最后一个突出的优点是对温度变化不敏感，这一点在保偏光纤的实际应用中是非常重要的。

对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在PCF 中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。

1.3光子晶体光纤的研究现状

英国Bath大学(University of Bath)和丹麦工业大学(Technical University ofDenmark)等早期开展的光子晶体光纤的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为依托分别成立的Blazephotonics和Crystal-fibre公司已有产品上市。在最近几年间，随着国际上更多的公司和研究小组加入到这一热点课题的研究中，光子晶体光纤的研究内容更加丰富，新的研究成果不断涌现

首先，光子晶体光纤的制作材料更加多样化。光子晶体光纤的材料不再局限于熔石英，采用硫化物(ohaloogenide},聚合物(polymer), SF57、SF6和秘（bismuth)等玻璃材料，塑料，亚蹄酸盐(tellurite)，铝硅酸盐(aluminosilioate)在红外波段应用的材料制作的光子晶体光纤都有报道。高折射材料[37]和复折射率材料[38]的光子晶体光纤也有理论研究。光子晶体光纤不仅仅采用介质中嵌入空气孔的方式，由两种介质材料和采用掺杂技术来降低包层折射率构成的折射率引导型光子晶体光纤已经报道，由全固体材料构成的光子带隙光纤也有理论和实验研究[39]。同时，这些材料尤其是聚合物和其他玻璃材料的采用使得光子晶体光纤的拉制工艺更加多样化，常用的是挤压(extrusion)法。光子晶体光纤中的空气孔中如果填充折射率随电压、温度等因素变化的材料如聚合物、液晶、液体等，就可以做成可调器件[40]

目前，光子晶体光纤的研究内容非常丰富，主要包括如下几个方面的研究:光子晶体光纤的拉制工艺和材料的研究，如光子晶体光纤材料和如何降低损耗等;光子晶体光纤本身的特性和原理的进一步研究和认识，如光子晶体光纤的模式特性[41](包括模式截止、模式简并、高阶模式、模式面积、数值孔径等)、损耗特性[42](包括弯曲损耗、束缚损耗、形变损耗、熔接损耗等)、色散特性[43](包括正常色散、反常色散、平坦色散、偏振模色散、色散测量等)、双折射特性、晶格结构、多芯结构和光子带隙光纤的表面模式等，其中很多工作是建立各种数值模型;光子晶体光纤器件方面的研究，包括光子晶体光纤之间的熔接、光子晶体光纤与传统光纤的熔接、光子晶体光纤开关、光子晶体光纤光栅、光子晶体光纤偏振分束器、光子晶体光纤波长变换器、光子晶体光纤滤波器、光子晶体光纤可调衰减器、光子晶体光纤祸合器、光子晶体光纤激光器、光子晶体光纤放大器以及光子晶体光纤参量振荡器和参量放大器等;光子晶体光纤非线性特性的研究和应用，如超连续光谱的产生及其应用[44]仁包括在光学频率测量和超短脉冲相位稳定、OCT、脉冲压缩以及光谱学等方面的应用)、孤子效应[45]可调谐孤子及其他孤子效应)和频率变换[46]等;光子晶体光纤作为传输介质的效应，包括光子晶体光纤作为通讯介质、光子晶体光纤中传输THz波和光子带隙光纤传输超短脉冲等。光子晶体光纤的应用研究包括在空芯光子晶体光纤中利用激光束悬浮和操纵微粒[47]，光子晶体光纤传感[48]，光子晶体光纤在量子光学中的应用[49]光子晶体光纤在医学中的应用[50]，利用两根光子带隙光纤构成光学二极管[51]以及其他一些应用等。

由于光子晶体光纤具有极大的灵活性和可调节性，在通讯领域和飞秒激光领域都具有广阔的应用前景，因此研究光子晶体光纤的色散损耗特性和强非线性特性具有重要的学术价值和应用价值。

1.4光子晶体光纤的应用前景

光子晶体光纤应用预期可涉及到通信、航空、微加工、空间、成像、生物、印刷、军事、

医药、环境、制造业、石化等科技领域。

(1)光通信领域的应用预期涉及到色散补偿、白光源、波长变换器、多芯光纤耦合器、脉冲成型器、模变换器、激光光源、光放大器、高效率低损耗的光通信连接器以及波分复用器件等，对于进一步实现真正的全光通信等方面展示出了广阔的应用前景。

(2)飞秒激光领域的应用通常介质中的窄谱带和正常色散使得飞秒光脉冲无法长距离传输成为飞秒激光研究急需解决的两个难题。光子晶体光纤具有的独特性能恰恰为解决这两个技术障碍提供了可能性。首先,光子晶体光纤具有强烈的非线性使得未经过放大的飞秒脉冲就可以在这种光纤中产生超连续谱[26]。其次，光子晶体光纤由于其包层的独特结构使得其波导色散对光纤色散的贡献很大，结果光子晶体光纤在可见光波段能够呈现反常色散[20]，因而光子晶体光纤中更大的光谱范围内产生光孤子已经成为当前的研究热点[27]。

(3)能量传输方面的应用对于空芯光子晶体光纤，光能量主要在空芯中传播，当光被耦合进入空芯波导光纤中时没有菲涅耳反射(因为外界和纤芯材料一样均是空气)，这种光纤可以作为高效率光耦合器件[28]，使光通信中的连接器更新换代。另外，与传统光纤的全内反射原理不同，这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以在光系统中极大地降低弯曲损耗[29]，提高弯曲状态下的传光(能量)效率，有可能用来制作肿瘤切割和内窥镜等医疗器件。

(4)研究物质的非线性方面的应用通过改变光纤包层填充气线的填充率和几何构成可以有效地增强和控制光纤中非线性光学过程，这种方法对于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射是极其有用的。由于PCF具有极强的非线性效应，它在超连续谱产生与制作参量放大器、光纤激光器、光纤光栅、光开关等光纤器件方面正引起极大的关注，并且有可能对非线性光纤光学的发展起更加重要的推动作用，利用超连续谱原理制作新的高分辨激光源促进生物医学层析成像技术的发展[30]。

(5)在光纤传感及粒子导引方面的应用如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途[31]。另外，也可以利用空芯光纤进行小粒子的悬浮、导引及其捕获等研究[32]

1.5光子晶体光纤色散方面的研究

英国巴斯大学和丹麦工业大学等早期开展的光子晶体光纤的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为依托分别成立的Blazephotonics和Crystal-fibre公司已有产品上市。在最近几年间，随着国际上更多的公司和研究小组加入到这一热点课题的研究中，光子晶体光纤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严格单模光子晶体光纤的零色散波长在700 nm，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[21]。丹麦工业大学P.A.Anderson 等人在一种平坦色散、高非线性光子晶体光纤中利用四波混频实现了40 Gb/s归零差动相移键控信号的波长转换[33]

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[34],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-18 000

ps/km/nm[35]。天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室王清月教授领导的课题组对光子晶体光纤的超强非线性效应特别是宽带连续谱的展宽进行了比较系统和深入的实验测试研究[34~36]。北京邮电大学任晓敏等，在实验中用10 Gb/s光脉冲序列经过2.163 km 普通单模光纤被展宽后，用26 mPCF对其进行色散补偿，在C波段20 nm波长范围内对普通单模光纤能够实现较好的色散斜率补偿[37]

在光子晶体光纤研究中，包括通信、非线性、激光器、放大器、光纤传能等各方面都涉及到光纤的色散研究，因此光子晶体光纤色散特性的分析、设计是当前PCF研究的一个重要领域。

1.6本论文的内容

1)介绍本论文研究的目的、意义及光子晶体光纤的国内外发展近况。

2)系统地介绍了光子晶体光纤的分类、导光机理、特性、制备及其应用前景。

3)简单介绍研究光子晶体光纤的理论研究模型，并对这些理论模型的优缺点作了比较，为大家研究光子晶体光纤的特性选择最佳模型提供参考。

4)首先介绍了有限元法的基础知识。其次结合COMSOL Multiphysics介绍实现光子晶体光纤数值模拟的方法步骤，并用锥形光子晶体光纤为例，详细地说明如何利用有限软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤数值模拟，并用该方法模拟计算和分析了条形光子晶体光纤的色散特性并对其作了简单比较。

5)对全文做了小结，指出了文章的优点及局限，提出了今后工作的目标和方向。

第二章光子晶体光纤的数值模拟

2.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤

COMSOL Multiphysics(多重物理量耦合)原名Femlab(Finite Element Method laboratory)，即有限元方法实验室缩写，是使用有限元方法进行多场耦合的一种专业计算软件。COMSOL Multiphysics是在Femlab和MATLAB的基础上发展起来的，具有Femlab的优点的同时又增加一些新的优点，其功能更加的强大，使用起来也更加的方便灵活。COMSOL Multiphysics具有强大的数值计算能力和视图能力，并能和MATLAB相结合，己广泛应用于许多学科领域，是计算机辅助设计与分析、算法及应用开发的重要工具。提供了研究和求解各种耦合场问题的一个强大而灵活实用的环境。并且有限元网格可以精细划分以满足精度要求，为我们的各种耦合场的计算提供了一个灵活方便的平台。利用COMSOL Multiphysics 实现光子晶体光纤有限元计算的过程可简单的归结如下:

一、根据所计算问题选择合适的2D或3D模型。

二、在所选择的模型块中根据计算光子晶体光纤用绘图工具构建模拟计算区域。

三、在物理量选项中设定波长(频率)、求解区域、及边界条件(第一类边界条件、第二

类边界条件、完美边界条件等)等参数。

四、用COMSOL Multiphysics网格菜单设置网格划分参数，并对求解区域进行网格化分，

五、设置求解器参数求解，并显示模拟结果.

六、有限元后处理。由求得光子晶体光纤不同模式下的有效折射率及场的分布进一步计

算有效面积、色散系数、数值孔径等。

2.2光子晶体光纤的数值模拟实例

为了找到计算一个光子晶体光纤的简单可行的方法，经过进一步实践总结出了利用coMs0LMultiPhysics软件实现光子晶体光纤的数值模拟的简单可行步骤。为了更清楚地说明如何利用 coMsoLMultiPhysics软件实现光子晶体光纤的数值模拟，下面以如图2-1所示的锥形光子晶体光纤为例说明其过程。

图2-1 锥形光子晶体光纤截面示意图

2.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOL Multiphysics 实现过程

2.2.1.1应用模式的选取与打开

打开COMSOL Multiphysics程序，在模型导览视窗下选取:空间维度2D;射频模块/垂直波/混合模波/模式分析。如图2-2所示

图2-2模型导览视窗

单击多重物理量，新增2D垂直混合波模式分析模型。在应用模式属性框里选择如图2-3所示

图2-3应用模式属性对话框

确定后双击该模式进入该模式界面，如图2-4

图2-4应用模式状态界面

2.2.1.2模型建立

在2D垂直混合波模式分析模型状态框里，利用菜单栏中绘图或快捷键选项，在右边的绘图区域建立所求解区域几何图形如图2-5

图2-5计算区域几何图形

2.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置

打开菜单栏中物理量下拉菜单，选取求解域设定或直接按F8，打开求解域设定对话框，如图2-6

图2-6求解域设定对话框

在其中给出不同区域材料及其特性后确定。本例中取石英折射率1. 44，空气的折射率1。

打开菜单栏中物理量下拉菜单，选取边界设定或直接按F7，打开边界设定对话框，如图2-6:

图2-6边界设定对话框

选择所要的内外边界后确定。本例中外边界选完美磁导体，内边界选连续边界。

打开菜单栏中物理量下拉菜单，选取纯量变量或双击模型树下的纯量变量打开应用纯量变量对话框，在空间自由波长表达式中输入波长参数后确定。默认空间自由波长为0. 3m，本例中输入1. 55e-6.即1. 55微米。如图2-7

图2-7应用纯量变量对话框

2.2.1.4求解参数的设置

打开求解菜单下的求解器参数设置对话框进行求解器参数设置。如图2-8:

图2-8求解器参数设置对话框

2.2.1.5求解及结果显示与分析

用求解菜单下的取得初始值选项取得初始值，然后点求解进行求解。一般这个过程需要几到十几分钟。还可以通过求解菜单下的记录项察看求解过程中的数据。求解过程显示如图2-10:

图2-9 初始化网

图2-10求解过程显示

光子晶体光纤设计与分析

光子晶体光纤设计与分析摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用正文：一.PCF的导光原理按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 1.1折射率导光机理周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 1.2光子能隙导光机理理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空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。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一

光子晶体光纤材料

光子晶体光纤材料光子晶体的能带结构电子能带与光子能带在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。完全光子能隙的产生光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种

标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。光子晶体中的缺陷能级半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷

光子晶体毕业设计(论文)

光子晶体毕业设计引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。

第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙内被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下

光子晶体毕业论文

引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。

第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与

论光子晶体光纤技术的现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具

有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

大模场光子晶体光纤设计

第24卷第3期Vo l.24,No.3滨州学院学报Journal of Binzho u University 2008年6月Jun.,2008 大模场光子晶体光纤设计收稿日期:2008-01-04第一作者简介:薛华(1976 ),女,山东惠民人,讲师,在读硕士,主要从事无线电物理研究. 薛华,韩春艳 (滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256603) 摘要:全内反射型光子晶体光纤纤具有为高折射率,包层为石英-空气周期结构,光通过高折射率纤芯与低平均折射率包层间的全内反射向前传播.包层的周期结构要求也不严格,甚至可以无序.利用其特有的无截止单模特性,对大模场光子晶体光纤进行了设计. 关键词:光子晶体光纤;无截止单模;模场中图分类号:TN 252 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2008)03-0079-04 PCF(Photonic Cry stal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell 等人[1]于1992年提出,它的结构由石英棒或石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(H o ly Fiber)或微结构光纤(M icro -structured Fiber).PCF 根据其导光原理可以分为两种,一种是光子带隙光纤(Pho to nic Band Gap PCF,PBG -PCF),另一种是改进的全内反射PCF(T otal Internal Reflection PCF,TIR -PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF ).T IR -PCF 与传统光纤的差别在于包层具有与PBG -PCF 相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质.由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性.比较两种PCF,全内反射PCF 无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF [2]. 1 无截止单模(Endlessly single mode)特性这是T IR -PCF 的一个重要的特性.对于标准的阶跃型单模光纤,其归一化频率V 由下式决定 [3]:V =(2 / )(n 2c o -n 2cl )1/2,(1) 式中n co 和n c l 分别为光纤纤芯和包层材料的折射率, 为纤芯半径, 为光波长.归一化频率V 决定了模式数目,当V <2.405时,光纤才是单模的.对应于V =2.405的波长就称为传统光纤的截止波长,只有当工作波长大于此截止波长时光波才能在光纤中实现单模传输.而PCF 不存在截止波长,用有效折射率模型[4]可以较好地解释这一现象.类似于传统光纤的归一化频率,在PCF 中,亦可定义一个等效的归一化频率为[5]: V ef f =(2 / )(n 2co -n 2ef f )1/2,(2) 其中n c o 和n ef f 分别为PCF 芯层和包层的等效折射率, 为芯层半径.PCF 包层的等效折射率n e f f 可以根据包层晶胞的等效数学模型解出.它是光辐射波长的函数,当波长减小时,光束截面随之收缩,光波模式分布向纤芯集中,因此n ef f 增大,从而n co 和n e f f 的差减小,这就抵消了波长减小的趋势,使V ef f 趋于定值,从而满足了单模传输条件.理论计算及实验证明:只要满足空气孔径与孔间距之比小于0.2,[6]PCF 就具有无截止单模特性.更重要的是,PCF 的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关,只取决于光纤的相对尺

《光子晶体光纤在光纤通信中的应用与展望》

调研报告课程：光纤通信学院：电气工程学院班级： 14级电子专业02班学号： 20144470220 姓名：郑浩

光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望郑浩（南华大学电气工程学院，湖南衡阳）摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S](精)

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法

特种光纤技术及其发展趋势

特种光纤技术及其发展趋势摘要：本文首先回顾了我国民族光纤产业的巨大进步与突破，进而引出激烈竞争情况下的特种光纤年差异化发展策略。着重讲述了我国特种光纤研究进展，包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。最后结合国家科技发展计划，阐述了特种光纤的发展趋势。关键词：光纤通信、光纤、预制棒、光子晶体光纤、特种光纤一、引言 “十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。在国家自主创新政策的引领下，民族光纤的自主创新研究显著增强，我国的预制棒技术取得了突破性进展，光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展：制造工艺从MCVD与PCVD，发展到OVD与VAD技术，光棒制造能力从2家发展到4家，国内光纤制造商的单模光纤年生产能力突破1000万芯公里的企业迅猛增加到4家，我国已经发展称为名符其实的光纤制造第一大国。虽然，我国常规单模产能实现了历史性跨越与进步。但是，在经济全球化的今天，常规单模光纤的竞争日趋白热化。加之发达国家将制造业向中国转移，这种现实的环境更是加速了民族光纤产业的竞争，价格迅速下滑，产能将再度出现供大于求的窘境。因此，民族光纤产业一方面要更一步增强自主创新，狠抓光纤上游核心—－光纤预制棒规模化技术，抢夺利润来源主体；另一方面，民族光纤企业家需要站在全球化市场的战略高度，苦练内功，强化管理，将民族光纤产业走出国门，推向全球市场；第三，面对利润微薄的常规光纤市场实际，要创造性地展开差异化竞争，自主创新地研究与开发特种光纤新产品，拓展新的利润增长点。二、光子晶体光纤烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”（2003CB314905）、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”（2007AA03Z447）、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”（2010CB327606）的支撑下，从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤（光子晶体光纤）的工艺技术与设备控制技术，以及自主知识产权的专利技术，先后制造出如图1～图6所示的光子晶体光纤，包括：高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤，以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。

常见光学仿真设计软件

1.APSS.v 2.1.Winall.Cracked 光子学设计软件，可用于光材料、器件、波导和光路等的设计 2.ASAP.v7.14/7.5/8.0.Winall.cracked/Full 世界各地的光学工程师都公认ASAPTM（Advanced Systems Analysis Program，高级系统分析程序）为光学系统定量分析的业界标准。注：另附9张光源库 3.Pics3d.v200 4.1.28.winall.cracked 电子.光学激光2D/3D有限元分析及模形化装置软件 https://www.wendangku.net/doc/0516957502.html,stip.v2004.1.28.winall.cracked 半导体激光装置2D模拟软件 5.Apsys.2D/3D.v2004.1.28.winall.cracked 激光二极管3D模拟器 6.PROCOM.v2004.1.2.winall.cracked 化合物半导体模拟软件 7.Zemax.v2003.winall.cracked/EE ZEMAX 是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起。 8.ZEBASE Zemax 镜头数据库 9.OSLO.v6.24.winall.licensed/Premium OSLO 是一套处理光学系统的布局和优化的代表性光学设计软件。最主要的，它是用来决定光学系统中最佳的组件大小和外型，例如照相机、客户产品、通讯系统、军事/外太空应用以及科学仪器等。除此之外，它也常用于仿真光学系统性能以及发展出一套对光学设计、测试和制造的专门软件工具。 10.TracePro.v324.winall.licensed/Expert TracePro 一套能进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度的软件。它是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心所发展出来的光学软件，是一个结合真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型及光学分析紧紧结合起来，其绘图界面非常地简单易学。 11.Lensview.UPS.winall.cracked LensVIEW 为搜集在美国以及日本专利局申请有案的光学设计的数据库，囊括超过18,000个多样化的光学设计实例，支持Zemax，OSLO，Code V等光学设计软件。 12.Code V.v940.winall.licensed CODE V 是美国著名的Optical Research Associates公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。

光子晶体光纤简介及原理

光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications. 英文关键字: photonic-crystal fiber 光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，

光子晶体光纤

光子晶体光纤在光子晶体的研究基础上，ST．J．Russell等人于 1992年最早提出光子晶体光纤的概念，第1个PCF样品于 1996年被研制出。按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射TIR ．PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是光子禁带光子晶体光纤 PBG．PCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)．PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构是 Bragg光纤的推广。前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。PCF是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly single．mode)嘲、低损耗特性、特殊的色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。 1 PCF的结构、导光机制和特性 1．1 TIR-PCF 包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。包压有效折射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变化至多为1％-2％，而TIR—PCF 中的折射率变化最大可达30％-40％。在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方向增加，在波长=1．55 微米时，可得到 -2000 ps／(nm．km)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。 1．2 PBG-PCF 第一个真正利用二维PBG导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998年，空气孔分布具有蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输。空气孔分布还可呈三角形等结构。由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG效应来导光。

光子晶体光纤论文

光子晶体光纤特性及其应用李显业201141801069 青岛大学光信息科学与技术03 王浩201141801080 青岛大学光信息科学与技术03 引言：光子晶体光纤是一种新颖光纤,用光子晶体制作的新型光纤较传统光纤具有显著的优势。本文主要介绍了光子晶体光纤的一些特性及分类，展望了光子晶体光纤的未来发展前景。摘要：光子晶体光子晶体光纤正文：一，光子晶体和光子晶体光纤简介近年来，国家大力推动了信息化改革，光纤到户等一系列信息惠民工程得以逐渐实施，光纤也逐渐的走进了平常百姓的生活。光纤技术目前被广泛用于通信，传感等领域，但是，目前广泛应用的均是单模石英光纤，光纤中心为石英玻璃构成的纤芯，周围为折射率稍低的皮层，也由石英玻璃构成，其传输机理为全反射。由于其具有传输宽带宽，低损耗，小体积，抗干扰等特点，目前已经被广泛应用。但是，石英光纤连接复杂，弯曲损耗大，纤芯直径小等原因，使其进一步发展面临很多局限性。因此，早在上世纪90年代初，光子晶体光纤就被提出。光子晶体是一种具有周期性调制介电函数，且具有光子能带和带隙结构的一类人工材料。它具有奇特的调控光子传播状态的本领。在光子晶体中，具有和固体电子晶体相似的特性，表现出光禁带特性以及光局域特性，处于光禁带中的光不能在光子晶体中传播。利用禁带内光子不能在晶体内传播的性质可以制成光子晶体光纤，传统的光纤主要利用电磁波在介质交界处的全反射机制，在光纤转弯的地方出现一个很大的问题：当波导的曲率大于一定值时，会出现很大的能量损失，只有当转角的曲率半径远大于光波波长时，才能避免过多的能量损失。而在光子晶体中引入一线缺陷，如果线缺陷的频率落在光子带隙中，就会在其中引入一个光通道：光波导，当线缺陷为直线时，光波导也是直的，当线缺陷成一定角度时，光波导也成一定的角度。利用这一性能设计的光子晶体光纤能极大地减少光纤传输中能量的损失。光子晶体光纤是在光子晶体的特性上发展出来的，它在外观上与普通光纤非常类似，但是它的内部结构却非常独特。它由一系列的细微的空气小孔组成，这种小孔贯穿了整根光纤，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。二，光子晶体光纤的导光原理第一种传输方式类似于传统的全反射方式，叫做膜筛。之所以叫做膜筛，是因为这个光导方式很容易让人联想到传统的筛子。中心的光子晶体光芯折射率大于旁边的空气小孔的折射率，所以光路可以发生全反射，由于小孔的大小比传导光的波长还小，光线并不能溢出，使光路被完全的限制在光芯中传播，进而达到传输信息的目的。第二种传输方式是依靠的光发生连续散射返回纤芯。这种光纤的芯可以是中空的。虽然空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。包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播，光被限制在中心空芯之内传输。虽然在空芯光子晶体光纤中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。这种光子晶体光纤可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4。三，光子晶体光纤的特性