一种GLS玻璃中红外光子晶体光纤的双折射和非线性研究
双折射光子晶体光纤的设计及其特性的研究(精)
双折射光子晶体光纤的设计及其特性的研究英文题名 Design and Study on the Characteristics of Birefringence Photonic Crystal Fiber 关键词光子晶体光纤; 多极法;双折射; 耦合; 色散; 超连续谱; 英文关键词 Photonic crystal fiber; Multipole method; Birefringence; Coupling; Dispersion; Supercontinuum; 中文摘要近年来,光子晶体光纤由于其独特的特性受到了人们的广泛关注。
例如高双折射和偏振保持,奇异色散特性,高非线性,表面增强拉曼效应,大模面积等。
同时,应用光子晶体光纤可以得到许多高性能的光纤型光信号处理器件。
这使得光子晶体光纤成为国际上的研究热点之一。
首先,论文设计了一种双芯高双折射高耦合强度的光子晶体光纤,采用多极法和模式耦合理论对这种双芯光子晶体光纤的特性进行了分析。
与传统双芯光子晶体光纤相比,本文所设计的双芯光子晶体光纤的双折射度和耦合强度随着空气填充率的增加而增加。
因此,这种双芯光子晶体光纤把高双折射和高的耦合强度成功的结合在一起,双折射度达到10-2量级,这对于微型光子器件的研制具有重要意义。
其次,设计了一种改进的高双折射光子晶体光纤,用多极法研究了双折射、色散和限制损耗特性。
数值模拟显示,改进后的光子晶体光纤具有色散平坦的性质。
此外,双折射度比起初的光子晶体光纤大了很多。
并且由于改进后对模场的限制增强,光纤的损耗比起初光子晶体光纤小104倍。
这种改进的光子晶体光纤可以被用作高双折射和色散平坦光纤。
最后,研究了脉冲在双折射光子晶体光纤中的传输。
不同于以往所采用的双折射光子晶体光... 英文摘要 In recent years, photoniccrystal fiber (PCF) has become more attractive because of theirunique properties, such as high birefringence and polarization maintaining, singular dispersion characteristics, high nonlinearity, surface enhanced Raman Effect, large mode area and so on. PCF is a kind of novel optical fiber structure, which has revolutionized fiber optics and attracted extensive attentions. To begin with, a kind of dual-core high birefringence and high coupling degree PCF is proposed in this pap... 摘要 5-6 ABSTRACT 6-7 第1章绪论 11-19 1.1 课题的研究背景和意义 11-12 1.2 光子晶体光纤简介 12-13 1.2.1 折射率引导型光子晶体光纤13 1.2.2 光子带隙型光子晶体光纤 13 1.3 光子晶体光纤的特性 13-17 1.3.1 无截止单模传输特性 13-14 1.3.2 可调节的色散特性 14-15 1.3.3双折射特性 15 1.3.4 高非线性特性 15-16 1.3.5 极大或极小的有效模场面积 16-17 1.4 光子晶体光纤的研究现状 17-18 1.5 论文的研究内容和结构安排 18-19 第2章双芯高双折射光子晶体光纤的性质 19-33 2.1 引言19 2.2 基本理论与方法 19-22 2.3 数值结果及分析 22-32 2.3.1 双折射 23-25 2.3.2 耦合长度25-29 2.3.3 色散 29-32 2.4 本章小结 32-33 第3章改进的高双折射光子晶体光纤 33-39 3.1 引言 33 3.2 理论和模型 33-34 3.3 改进后光子晶体光纤的特性 34-38 3.4本章小结 38-39 第4章超连续谱在高双折射SF6 软玻璃光子晶体光纤中的产生及应用 39-55 4.1 引言 39 4.2 脉冲在光纤中传输的基本理论 39-44 4.2.1 光纤中脉冲传输的基本方程的推导 39-42 4.2.2 几种典型的脉冲波形 42-43 4.2.3 与脉冲传输特性有关的几个重要参数 43-44 4.3 数值模拟结果及分析44-50 4.3.1 SF6 光子晶体光纤的结构44 4.3.2 HBSF6-PCF 的特性 44-47 4.3.3 超连续谱的产生 47-50 4.4 超连续谱的应用 50-53 4.4.1 波形和群速度色散测量 51 4.4.2 超高速通信光源和全光解复用 51 4.4.3 脉冲压缩 51-52 4.4.4 光学相干层析技术 52 4.4.5 超连续谱在激光方面的应用 52-53 4.4.6 光学频率梳53 4.5 本章小结 53-55 结论 55-56 参考文献 56-63 3.4 本章小结 38-39 第4章超连续谱在高双折射SF6 软玻璃光子晶体光纤中的产生及应用 39-55 4.1 引言 39 4.2 脉冲在光纤中传输的基本理论39-44 4.2.1 光纤中脉冲传输的基本方程的推导 39-42 4.2.2 几种典型的脉冲波形 42-43 4.2.3 与脉冲传输特性有关的几个重要参数 43-44 4.3 数值模拟结果及分析44-50 4.3.1 SF6 光子晶体光纤的结构44 4.3.2 HBSF6-PCF 的特性 44-47 4.3.3 超连续谱的产生 47-50 4.4 超连续谱的应用 50-53 4.4.1 波形和群速度色散测量 51 4.4.2 超高速通信光源和全光解复用 51 4.4.3 脉冲压缩 51-52 4.4.4 光学相干层析技术 52 4.4.5 超连续谱在激光方面的应用 52-53 4.4.6 光学频率梳53 4.5 本章小结 53-55 结论 55-56 参考文献 56-63 3.4 本章小结 38-39 第4章超连续谱在高双折射SF6 软玻璃光子晶体光纤中的产生及应用 39-55 4.1 引言 39 4.2 脉冲在光纤中传输的基本理论39-44 4.2.1 光纤中脉冲传输的基本方程的推导 39-42 4.2.2 几种典型的脉冲波形 42-43 4.2.3 与脉冲传输特性有关的几个重要参数 43-44 4.3 数值模拟结果及分析44-50 4.3.1 SF6 光子晶体光纤的结构44 4.3.2 HBSF6-PCF 的特性 44-47 4.3.3 超连续谱的产生 47-50 4.4 超连续谱的应用 50-53 4.4.1 波形和群速度色散测量 51 4.4.2 超高速通信光源和全光解复用 51 4.4.3 脉冲压缩 51-52 4.4.4 光学相干层析技术 52 4.4.5 超连续谱在激光方面的应用 52-53 4.4.6 光学频率梳53 4.5 本章小结 53-55 结论 55-56 参考文献 56-63。
中红外高双折射高非线性宽带正常色散As_2S_3光子晶体光纤_王晓琰
* 国家自然科学基金（ 批准号：10874145 ） 、 高等学校博士学科点专项科研基金（ 批准号：20091333110010 ） 、 河 北 省 自 然 科 学 基 金 （ 批 准 号： F2009000481 ） 和中国博士后科学基金 （ 批准号：20080440014 ， 200902046 ） 资助的课题 ． 通讯联系人 ． E-mail ： shuguangli@ ysu． edu． cn
km － 1 ， 零色散点对应的 λ = 9. 05 μ m ； y 偏振方向总 · 色散最小值在 λ = 3. 7 μ m 处达到了 － 1105. 98 ps nm － 1·km － 1 ， 具 有 较 大 的 负 色 散 值， 可用于色散补 偿， 零色散点对应的 λ = 7. 69 μ m． d c = 0. 15 μ m ， d v = 0. 3 图 5 为 d 0 = 0. 25 μ m ， μm ， Λ = 1 μm ， Λ ' 变化时 x 偏振方向和 y 偏振方向 的总 色 散 随 λ 的 变 化 ． 从 图 5 可 以 看 出， 当结构参 x 偏振 方 向 和 y 偏 振 方 向 的 色 散 随 λ 的 数一定时， 变化趋 势 是 一 样 的， 都在很宽的波长范围内是负
图3 材料色散随波长的变化
值， 属于正 常 色 散 ． 同 时， 随 着 Λ ' 的 缩 小， 色散峰值 逐渐减小 ． 在短波长 范 围， Λ ' 越 小 总 色 散 值 越 小；在 总色散值随着 Λ ' 的减小反而增大 ． 长波长范围， 2. 3. 高非线性 本文设 计 的 是 硫 系 玻 璃 As 2 S 3 为 背 景 材 料 的 （5） PCF ， 由于该玻 璃 具 有 很 高 的 线 性 折 射 率 和 非 线 性 折射率， 所以 有 望 制 造 出 高 非 线 性 效 应 的 光 纤． 非 线性系数 γ （ λ ） 可表示为
光子晶体光纤
Conventional total internal reflection(TIR)guidance
Frustrated tunneling PBG guidance
4
光子晶体光纤的计算方法
第一类是用于分析光波导的数值方法 ➢ 有限差分法 ➢ 光束传播法 ➢ 有限元法 ➢ 有限差分法
第二类是专门针对光子晶体光纤或光子晶体提出来的新方法 ➢ 如有效折射率法 ➢ 平面波展开法 ➢ 多极法
1
a photonic crystal fiber based on index-guiding(modified total reflection) with triangular lattice
这需要满足空气孔足够小的条件，空气孔径d 与孔间距Λ 之比必须 不大于0.2。
2
光子带隙光纤横截面图
光子晶体光纤
光子晶体光纤也称多孔光纤，它可以由同一种材 料制成，它的特点是包层的折射率受到波长量级周期 性调制，这种调制一般通过在石英中引入沿轴向伸长 的周期性分布的空气孔，并在光纤的纤芯中引入缺陷 而实现的。这样的缺陷有两种引人方式。第一种方式 是将高折射率材料如石英作为缺陷, 这种称为折射率导 引的PCF(Total Internal Reflection，TIR-PCF) ,该光纤具有 独特的无尽单模传输特性。第二种方式是将低折射率 材料如空气作为缺陷, 这种称为光子带隙效应导引的 PCF ( Photonic Band gap，PBG-PCF)。
5
一种GLS 玻璃中红外光子晶体光纤 的双折射和非线性研究
➢ 高峰值功率、短脉冲的中红外光源(3~10 m)是科学研究
领域的重要工具和手段。 ➢ 随着石英光子晶体光纤特性如高双折射、高非线性、可
具有高双折射光子晶体光纤特性分析与研究
具有高双折射光子晶体光纤特性分析与研究具有高双折射光子晶体光纤特性分析与研究摘要：光子晶体光纤作为一种新兴的光纤传输技术，在光通信、光传感等领域具有广泛的应用前景。
本文通过对具有高双折射特性的光子晶体光纤的研究与分析，从光纤的制备过程、光纤的传输特性、光纤的偏振相关特性等方面进行了深入的阐述与探讨。
1. 引言在光通信和光传感领域，光纤作为一种重要的传输介质，以其带宽大、传输损耗小等优势而备受关注。
传统的光纤具有单折射特性，然而在某些应用中，需要一种具有高双折射特性的光纤来满足特定的传输需求。
光子晶体光纤作为一种新型的光纤结构，在光传输中具有独特的优势，具有高双折射特性的光子晶体光纤更是引人注目。
2. 光子晶体光纤的制备过程光子晶体光纤的制备通常采用光纤拉制技术。
首先，通过高纯度的石英玻璃材料制备光纤的芯杆材料，然后通过拉伸和熔融等工艺形成一种具有周期性微结构的光子晶体结构。
制备过程中的参数调控直接影响光子晶体光纤的性能，例如芯杆材料的纯度、拉伸速度、拉伸温度等。
3. 光子晶体光纤的传输特性与传统的单模光纤相比，具有高双折射特性的光子晶体光纤在传输中表现出独特的特性。
首先，光子晶体光纤具有较大的模场面积，可以实现更低的非线性效应和更低的色散效应。
其次，光子晶体光纤具有高度的模式选择性，可以实现光波在特定频率范围内的选择性传输。
此外，光子晶体光纤还具有较低的损耗和高的带宽等优点。
4. 光子晶体光纤的偏振相关特性光子晶体光纤的偏振相关特性是其独特性能的重要组成部分。
具有高双折射特性的光子晶体光纤能够实现偏振保持和调控等功能。
通过调节光子晶体光纤的结构参数，可以实现对特定偏振模式的选择传输，实现偏振编码和解码等应用。
5. 应用前景与展望在光通信、光传感等领域，具有高双折射特性的光子晶体光纤具有广阔的应用前景。
其高度的模式选择性和低损耗特性使其在多通道传输、色散补偿等方面具备重要的应用潜力。
此外，光子晶体光纤还可以应用于光传感领域，通过光纤中的微小结构变化实现对环境参数的高灵敏度检测。
光子晶体与光学非线性效应的研究
光子晶体与光学非线性效应的研究随着科技进步的不断推动，光子晶体和光学非线性效应正在成为光学领域中备受关注的研究方向。
光子晶体是由周期性介质构成的材料，在光子结构、波导和共振腔方面具有独特的优势。
而光学非线性效应是指光与物质相互作用时，光的一些性质会随着光强的变化而发生非线性变化的现象。
光子晶体可以通过调节其周期结构来控制和调制光的传播特性。
在光的传播过程中，光子晶体的周期性结构会导致光的衍射现象。
这种衍射现象使得光在光子晶体中发生光子带隙的形成，即特定频率范围内的光无法通过光子晶体的晶格间隙。
这种光子带隙的特性可以被用于制造各种光学器件，如滤波器和反射镜等。
在光子晶体中，光的传播速度也受到周期性结构的影响。
当光垂直于周期性结构传播时，光子晶体中会出现光子色散现象，即不同频率的光具有不同的传播速度。
这种色散性质可以被利用来调节光的传播速度，实现光的延迟或者超光速传输。
这种特性在光通信和光存储等领域具有潜在的应用价值。
除了以上的光学特性外，光子晶体还具有光学非线性效应的潜力。
光学非线性效应是指光与物质相互作用时，光的一些性质会随着光强的变化而发生非线性变化的现象。
这种非线性变化可以用于光学器件的制备和调制。
在光子晶体中，非线性效应可以通过改变晶格缺陷的引入或调节晶格调制来实现。
其中最常见的非线性效应是二次非线性效应，即给定频率的光在介质中经过非线性过程后，会生成具有双倍频率的光。
这种二次谐波产生效应可以用于光学频率加倍器和激光生成器等器件的制备。
光子晶体的周期性结构提供了调节和增强二次非线性效应的机会，为光学频率加倍技术的发展提供了潜在的途径。
除了二次非线性效应外，光子晶体还可以实现其他类型的非线性光学效应，如自相位调制和自相位调制效应。
自相位调制是指通过调节光的相位来实现光信号的调制。
自相位调制效应是指在介质中高强度光的传播过程中，介质的光强非线性响应导致光的相位发生变化。
这种自相位调制效应可以用于实现光学调制器和全光开关等器件。
非线性光学现象与光子晶体结构
非线性光学现象与光子晶体结构光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，它的光学性质与普通材料存在很大差异。
光子晶体之所以如此特殊，是因为它能够引发一系列非线性光学现象。
非线性光学现象是指在高强度光作用下，光在材料中发生非线性响应的现象。
非线性光学是光学领域的一个重要分支，它的实用价值在激光、光通信和光存储等领域得到广泛应用。
而在光子晶体中，非线性光学现象变得更加神奇和引人注目。
首先，光子晶体中的自发产生的二次谐波是非线性光学现象的重要表现之一。
二次谐波发生时，一个光波的频率被加倍，产生具有两倍频率的新光波。
这个现象在光子晶体中特别显著，原因是光子晶体的周期性结构导致了电磁波的束缚，从而增强了非线性效应。
利用这种二次谐波产生的机制，可以实现光的波长转换和频率倍增等功能，对光学器件的设计和制造具有重要意义。
其次，光子晶体还可以引发光的自聚焦效应。
自聚焦是非线性光学中的重要现象，它指的是光波在介质中传播时自动聚焦成束。
这种现象在光子晶体中更加突出，其中一个原因是光子晶体的周期性结构会对光的传输产生周期性调制，导致光波的波前受到限制而自聚焦。
光子晶体的自聚焦效应可以被用于光束整形、光信息传输和激光聚焦等领域，对光学技术的发展具有重要意义。
此外，光子晶体还可以展现非线性光学现象的另外一个重要特征，即光的非线性色散特性。
色散是指光波在介质中传播时由于介质的折射率与波长的关系而导致光的传播速度变化的现象。
而在非线性光学中，色散的关系会随着光强的改变而发生非线性响应。
这种现象在光子晶体中得以进一步扩展，因为光子晶体的周期性结构导致了光波的反射和折射行为被频率选择性地放大或减弱。
利用光子晶体的非线性色散特性，可以实现光的频谱调制和光波导调制等功能，对光通信和光存储等领域具有重要意义。
总之，光子晶体作为一种具有周期性介质结构的材料，其非线性光学性质表现得特别突出。
在光子晶体中，非线性光学现象如二次谐波产生、光的自聚焦以及非线性色散等特性得到了深入研究和广泛应用。
一种GLS玻璃中红外光子晶体光纤的双折射和非线性研究
１ 光 纤 结 构 与 理 论 基础
ｅ ｕ．ｃ ｌ ｄ ｒ。
第 ２期
李曙光 等
一种 Ｇ Ｓ玻璃 中红外光子晶体光纤的双折射 和非线 性研 究 Ｌ
】１ ３
中表示成 Ｂ ｓｅ ｅｓｌ函数形式 ，利用 边界条件 ，求解 亥姆赫 兹 （ ｌ ｏｔ） Ｈｅ ｍｈ ｌ 方程 。这种 方法适合 分析具 ｚ 有 圆形孔任 意结构 的光子 晶体光 纤 。 其特 点是 ：空 气 孔数 目较 少时 ，其计 算速度 很快 ，且计算 精度很 高 （ 式 的有 效折射率 可有 十几位有 效数 字） 但随 模 。
时 具 有 高双 折 射 和 高 非线 性 。这 种 光 纤 有望 实现 中红 外 波段 超 短 脉 冲 展 宽 ，进 一 步 扩 展 中 红外 波 段 的 激 光源 。 关 键 词 ：光 子 晶 体 光 纤 ；Ｇ Ｓ玻 璃 ；双 折射 ；非 线 性 Ｌ
中图 分 类号 ：Ｔ ５ Ｎ２ ３
文 献标 识 码 ：Ａ
影 响光纤 一系列性质 的主要 为纤芯结构 ， 因此本 文 主要研究 纤芯周 围气孔对 光纤性能 的影 响。
ＧＬ Ｓ玻璃 的非线性 吸收特性 ， 并在 １ ０ ． ｍ 和 １ ２ ２ ． ５
ｇ 处对其折射率进行 了测量 。 ｍ
电磁 场 散 射 多极 理 论 首 先 是 由 Ｒ ｙｅｇ 于 ａ ｌｉｈ
基 金 项 目： 国家 自然 科 学基 金 资 助 项 目 （０ ７ １５ ，河 北 省 自然 科 学 基 金 资助 项 目 （２ ０ ０ ０ ８ ） １８ ４ ４ ） Ｆ ０ ９ ０ ４ １
光子晶体光纤中的非线性光学效应研究
光子晶体光纤中的非线性光学效应研究随着光通信技术的迅猛发展，人们对于光纤传输的需求也越来越高。
传统的光纤在信息传输过程中存在着一些限制，比如光子衰减和色散等问题。
为了克服这些问题，科学家们开始研究光子晶体光纤。
光子晶体光纤是一种具有周期性折射率结构的光纤，其折射率的变化是周期性的。
这种特殊的结构使得光子晶体光纤具有很多独特的光学特性，其中之一就是非线性光学效应。
非线性光学效应是指当光强足够强时，光的传播行为会发生明显的变化。
在光子晶体光纤中，非线性光学效应可以通过调节光纤的结构和材料来实现。
这种效应可以用来实现光信号的调制、光谱的变换以及光信号的放大等功能。
一种常见的非线性光学效应是自相位调制（Self-phase modulation，SPM）。
在光子晶体光纤中，当光信号传播过程中光强发生变化时，光的相位也会随之发生变化。
这种现象可以用来实现光信号的调制，从而实现光通信中的光信号传输和处理。
除了自相位调制外，光子晶体光纤中还存在其他的非线性光学效应，比如光学散射、光学倍频和光学混频等。
这些效应可以用来实现光信号的转换和处理，从而提高光通信系统的性能。
光子晶体光纤中的非线性光学效应研究不仅仅局限于光通信领域，还涉及到其他领域的研究。
比如，在光子晶体光纤中，非线性光学效应可以用来实现光学传感器的设计和制造。
通过利用光子晶体光纤中的非线性光学效应，可以实现对于温度、压力、光强等物理量的高灵敏度检测。
此外，光子晶体光纤中的非线性光学效应还可以用于激光器和光学放大器的设计和制造。
通过调节光纤的结构和材料，可以实现光信号的放大和调制，从而提高激光器和光学放大器的性能。
光子晶体光纤中的非线性光学效应研究还面临着一些挑战。
首先，光子晶体光纤的制备和加工技术还不够成熟，制备出高质量的光子晶体光纤仍然存在一定的困难。
其次，光子晶体光纤中的非线性光学效应的理论研究还不够深入，需要进一步探索和理解。
总的来说，光子晶体光纤中的非线性光学效应研究具有重要的科学意义和应用价值。
中红外硫系高双折射光子晶体光纤设计与分析
中红外硫系高双折射光子晶体光纤设计与分析硫系玻璃与石英玻璃相比具有低软化温度、良好成纤性和高非线性折射率,且可以在近红外及中红外波段透光等特性。
近年来,硫系玻璃高双折射光子晶体光纤备受关注,它能突破传统石英基质光子器件工作波长低于2μm拜的限制,在中红外光纤传感、光纤脉冲激光器以及全光网络的实现等领域有着重要的应用。
本文旨在设计新型的适用于中红外波段(3～5μm)硫系高双折射光子晶体光纤(HB-PCF,High Birefringence-Photonic Crystal Fiber)和单模单偏振光子晶体光纤(SPSM-PCF,Single Polarization Single Mode-Photonic Crystal Fiber),研究 HB-PCF 的双折射、有效折射率、拍长、色散、限制损耗和非线性系数等特性和SPSM-PCF的单模单偏振性质。
设计了三种新型的中红外硫系高双折射光子晶体光纤,椭圆V形高双折射光子晶体光纤、菱形孔高双折射光子晶体光纤和圆形包层菱形微孔芯高双折射光子晶体光纤。
使用时域有限差分法对所设计的光子晶体光纤进行数值计算并优化其结构参数。
结果表明椭圆V形光纤结构在最优参数为∧=1.7μm,b=0.85μm,ai=0.5μm,a2=0.28μm时,在波长5μm处双折射可达0.1177;菱形孔光纤结构在最优结构参数为∧=2.0μm,D=1.70μm,H=1.76μm,d=0.4μm时,在波长5μm处双折射可达0.1513,x偏振和y偏振方向上的非线性系数分别为3726w-ikm-1、2585w-ikm-1;菱形微孔芯光纤结构在最优参数为 d=2.2μm、∧=2.2μm、di=0.1μm、d2=0.16μm、∧’=0.40μm,在 3～5μm 双折射变化范围是0.1677～0.1637。
所提出的高双折射光子晶体光纤均属于高双折射水平,为研究新型背景材料的高双折射光子晶体光纤提供了参考。
光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性研究的开题报告
光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性研究的开题报告摘要：光子晶体光纤作为一种新型的光导纤维，由于其具备优秀的光学性能，已经在光通信、传感器、激光器等领域得到广泛的应用。
本文将主要研究光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性，明确其物理机制和影响因素，为其在实际应用中的调制和控制提供科学的依据和理论基础。
关键词：光子晶体光纤，双折射，偏振耦合，物理机制，调制和控制一、问题的提出随着信息技术的不断发展，对于传输、处理和存储信息的需求不断增加。
而光通信作为一种高速、大带宽的通信方式，正逐渐取代传统的电信技术。
其中，光子晶体光纤作为一种具备很多优秀性能的新型光导纤维，在光通信、传感器、激光器等领域得到了广泛的应用。
但是，光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性对其应用带来了一定的限制。
双折射会引起信号的偏移和扩散，偏振耦合会导致信号的损失和交叉干扰。
因此，深入研究光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性，明确其物理机制和影响因素，对其在实际应用中的调制和控制具有重要意义。
二、研究的目的和意义本文旨在研究光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性，明确其物理机制和影响因素，为其在实际应用中的调制和控制提供科学的依据和理论基础。
目的：1.探究光子晶体光纤的双折射现象及其物理机制。
2.研究光子晶体光纤的偏振耦合特性及其影响因素。
3.研究光子晶体光纤的调制和控制方法。
意义：1.为光子晶体光纤的应用提供重要的理论基础。
2.提高光子晶体光纤在光通信、传感器、激光器等领域的应用效率和性能。
3.对于新型光导纤维的研究具有借鉴意义。
三、研究的内容和方法研究内容：1.光子晶体光纤的结构及其光学特性。
2.光子晶体光纤的双折射现象及其物理机制的分析。
3.光子晶体光纤的偏振耦合特性及其影响因素的研究。
4.光子晶体光纤的调制和控制方法的研究。
研究方法：1.基于光学理论和数值模拟方法分析光子晶体光纤的结构和光学特性。
2.采用双折射和偏振分析技术，研究光子晶体光纤的双折射和偏振耦合特性。
光子晶体光纤双折射特性的研究及应用的开题报告
光子晶体光纤双折射特性的研究及应用的开题报告
（Note: This is a report in Chinese language.）
一、研究背景
随着通信技术的发展，光纤通信已成为现代通信的重要手段之一。
而光子晶体光纤作为一种新型光学材料，其具有光纤的基本优点同时又兼备了光子晶体的特有优点，具有光子晶体的带隙结构、高品质因子、宽的光谱带宽和巨大的色散等特点，因此光子晶体光纤已成为发展前景广阔的研究领域之一。
在光子晶体光纤的研究中，光子晶体光纤中的光纤双折射性质一直受到研究者的广泛关注。
光纤双折射现象指光在经过非对称光学介质时，传播方向发生变化的现象。
光子晶体光纤中的双折射现象与普通光纤不同，光子晶体光纤中的双折射作用是由光子晶体结构的调控所引起的。
二、研究内容
本次研究将研究光子晶体光纤在不同条件下的双折射特性，并探究其在通信、传感等领域中的应用。
具体包括以下几个方面：
1、利用有限元方法对光子晶体光纤的传输特性进行建模和仿真，分析光子晶体光纤中光的传输过程中的双折射现象。
2、研究不同光子晶体光纤结构中双折射的特性，包括直径、螺距、层数等结构参数对双折射的影响，并分析其机理。
3、探究光子晶体光纤的双折射特性在传感、通信等领域中的应用，比如利用光子晶体光纤制作温度传感器、压力传感器等。
三、研究意义
通过研究光子晶体光纤中的双折射特性，可以更好的揭示光子晶体光纤在光学传输中的行为规律，为其在通信、传感等领域中的应用提供理论依据。
此外，光子晶体光纤具有的高灵敏度、宽光谱带宽等特点也为其在传感、光学测量等领域中的应用提供了很多新的机会和可能性。
高双折射光子晶体光纤的双折射特性及其应用研究的开题报告
高双折射光子晶体光纤的双折射特性及其应用研究的开题报告【摘要】高双折射光子晶体光纤是一种具有特殊光学性质的光学纤维。
其制备过程涉及到光子晶体材料的制备和光纤的拉制工艺等多个环节。
本文将详细介绍高双折射光子晶体光纤的制备和双折射特性，并探究其在光传输和光学传感等领域的应用。
【关键词】高双折射光子晶体光纤；制备；双折射特性；应用。
【引言】光子晶体是由光学周期性介质构成的具有特殊光学性质的材料，在光学传感、光器件等方面具有广泛的应用。
其中光子晶体光纤是一种在光通信和光学传感等领域有着极高研究价值的新型光学纤维。
高双折射光子晶体光纤是其中一种，在光传输和光学传感等领域有着广泛的应用前景。
【正文】1、高双折射光子晶体光纤的制备高双折射光子晶体光纤的制备主要涉及到光子晶体材料的制备和光纤的拉制工艺等环节。
首先需要制备出高质量的光子晶体材料，这是制备高双折射光子晶体光纤的关键步骤。
然后通过拉制工艺将光子晶体材料制成光纤。
在拉制光纤的过程中，需要对温度、拉力等参数进行精细控制，以确保光纤质量的稳定性和光学性能的优异性。
2、高双折射光子晶体光纤的双折射特性高双折射光子晶体光纤是一种具有特殊光学性质的光学纤维。
其双折射特性是指在光纤中传输光的两个主要模式的折射率不同，导致产生了双折射现象。
双折射现象可以用来实现光路可调、光学分波器等光学元件，具有广泛的应用前景。
3、高双折射光子晶体光纤在光传输和光学传感中的应用高双折射光子晶体光纤具有宽带传输、低损耗、小尺寸等优点，因此在光传输和光学传感等方面具有广泛的应用前景。
其中，在光学传感方面，高双折射光子晶体光纤可以用来实现光学分波器、偏振调制器等光学元件，同时还可以用来实现光学传感器，如温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。
【结论】高双折射光子晶体光纤是一种具有特殊光学性质的光学纤维，在光传输和光学传感等领域具有广泛的应用前景。
其制备过程需要精细控制多个环节，以保证光纤的性能稳定和优异性。
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收稿日期：2011-03-04 基金项目：国家自然科学基金资助项目（10874145），河北省自然科学基金资助项目（F2009000481） 作者简介：*李曙光（1968-），男，山西五寨人，博士，教授，主要研究方向为光电功能材料及特种光纤，Email: shuguangli@。
[7] Morgan S P, Furniss D, Seddon A B, et al.. Effect of glass purity on the glass stability and physical properties of Ga-La-S glasses [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1997, 213-214 (12): 72-78.
2
=
d（
2d
2是光的强度）。 (3)
获得光子晶体光纤的模式有效折射率和有效模式 面积等，以此为基础就能进一步求解光纤的模式双
根据导波光学的理论，光纤基模的模式双折射为 [14]
折射、色散系数、非线性系数、限制损耗等特性参 数。本文所设计的光子晶体光纤结构具有对称性、 空气孔均为圆形孔且层数较少，因此适合应用多极 方法进行模拟。
1 光纤结构与理论基础
本文设计的光子晶体光纤为正三角形阵列结 构，如图 1 所示为光纤横截面及基模模场分布图， 将光纤中心部分的 3 个空气孔消去，则纤芯成为类 矩形 [12]。其中空气孔间距均为 ，外层空气孔的直 径为 1，纤芯周围上下空气孔的直径为 2，纤芯周 围 轴上空气孔的直径为 3。这样的结构设计形成 了具有二重对称性的双折射光子晶体光纤，又由于 影响光纤一系列性质的主要为纤芯结构，因此本文 主要研究纤芯周围气孔对光纤性能的影响。
气孔数目较少时，其计算速度很快，且计算精度很 磁场的边界条件，可以得到关于 、 和 的表达
高 (模式的有效折射率可有十几位有效数字)。但随 着空气孔数量的增加，计算量和计算时间急剧增
式，进一步通过 = 0求得所求模式的有效折射率 。其中有效模式面积为
加。该方法可以模拟由于电磁场向外辐射而导致的 渗漏场，可以模拟包层空气孔层数有限的光子晶体 光纤，利用其对称性来简化运算并提高精度，可以
= Re Re ，
(4)
其中， 和 分别表示 偏振方向和 偏振方向基模 的有效折射率，Re 表示实部。非线性系数 为 [15]
=2 2，
(5)
1
2
3
图 1 光纤横截面及基模模场分布示意图 Fig. 1 Transverse cross section of crystal fiber and funda-
图 3 (a) 是当 1=1.0 m, 2= 3=0.4 m，孔间 距 变化时 偏振模的非线性系数随波长 的变化， 偏振模的变化情况与 偏振模类似。由图可知波长 一定时随着孔间距 的增加非线性系数减小，原因
是增大孔间距相当于增大有效纤芯的面积，由式
(5) 可知非线性系数降低。图 3 (b) 为孔间距 = 1.1
图 2 双折射随波长的变化 Fig. 2 The variation of birefringence with wavelength
具有高非线性效应的光纤在超连续光谱的产 生、高功率脉冲压缩、光纤器件的制作等方面有重 要的应用价值 [17-18]。增大光纤的非线性系数可以通 过减小纤芯区域的有效模式面积或是增大光纤包 层空气孔的填充率，还可以通过选择非线性折射率 高的材料等来实现。图 3 给出了非线性系数随光纤 结构参数和波长的变化，结构参数一定时，随波长 的增大，非线性系数降低。原因是在短波长模场被 很好的束缚在纤芯，但随着波长的增加，模场逐渐
关键词：光子晶体光纤；GLS 玻璃；双折射；非线性
中图分类号：
文献标识码：
：
0 引言
高峰值功率、短脉冲的中红外光源 (3~10 m) 是科学研究领域的重要工具和手段 [1]，目前中红外 光源，特别是高峰值功率中红外激光技术，远远落 后于可见光或近红外波段。如何提升中红外波段技 术的水准，发展有效的创新技术，将成为今后若干 年国际上激光技术发展的重要方向之一。随着石英 光子晶体光纤特性如高双折射 [2]、高非线性 [3]、可 调色散 [4]、大模场面积 [5] 等的研究逐渐趋于成熟， 非石英材料及其光纤的制备逐渐成为人们关注的 对象。Devinder 等人通过激光脉冲的沉淀技术制备 了 GLS 材质的薄膜光学波导 [6]；Morgan 等研究了 GLS 玻璃中不同的比例元素对其稳定性和物理特 性的作用 [7]；Pearce 等应用具有高折射率的亚碲硅 酸盐玻璃和硫系玻璃设计了在中红外到远红外波 段长波的空芯光子晶体光纤 [8]；Isidro 等报道了 GLS 玻璃的非线性吸收特性，并在 1.20 m 和 1.52 m 处对其折射率进行了测量 。 [9]
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3 GLS 玻璃 PCF 实验制备的可行性分析
GLS（gallium lanthanum sulphide）玻璃与其 它玻璃相比有诸如声子能量低（约 425 cm-1）、稀 土元素溶解性高、转换温度高、无毒、高非线性等 优点 [19]，很多优势远远超过了其他传统玻璃光纤 材料。2005 年，Mairaj 等 [20] 实验测得了 GLS 玻 璃 3 种不同组分的温度控制值，其中成分为 65Ga2S3-32La2S3-3La2O3 的 GLS 玻璃的转换温度
第 35 卷 第 2 期 2011 年 3 月
文章编号：
燕山大学学报 Journal of Yanshan University
Vol. 35 No. 2 Mar. 2011
一种 GLS 玻璃中红外光子晶体光纤 的双折射和非线性研究
李曙光*，冯荣普，刘 硕，王晓琰，尹国冰，04）
mental mode field
根据多极方法理论，模场可以展开为 Bessel 函 数形式，在第 个空气孔的内部
=
exp exp ， (1)
=
在第 个空气孔邻近的介质中，其纵向电场可以表 示成
=
+1
=
exp exp ，
(2)
其中，
=
22 0
， = 2 1/2
22 0
2 1/2，空气的折射
其中， 是有效模式面积， 2 = 2.16×10-18 m2/W 是 GLS 玻璃的非线性折射率。
第2期
李曙光 等 一种 GLS 玻璃中红外光子晶体光纤的双折射和非线性研究
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中表示成 Bessel 函数形式，利用边界条件，求解 率 =1，GLS 玻璃的折射率 =2.41，自由空间的波
亥姆赫兹 (Helmholtz) 方程。这种方法适合分析具 有圆形孔任意结构的光子晶体光纤。其特点是：空
数 0=2 / ， 是对应模式的传播常数。磁场分量 的表达式与此类似。通过在空气孔的界面上利用电
(b) =1.1 m , 1 = 1.0 m, 3=0.4 m 确定, 改变 2
图 3 偏振方向非线性系数随波长的变化 Fig. 3 The variation of nonlinear coefficient -polarized of
the fiber with wavelength
第2期
李曙光 等 一种 GLS 玻璃中红外光子晶体光纤的双折射和非线性研究
摘 要：设计了一种适合于中红外波段传输的 GLS 玻璃高双折射高非线性光子晶体光纤 (PCF)，利用电磁波传 播的多极散射理论数值模拟了该光纤的双折射和非线性特性，并对实验制备这种软玻璃光纤的可行性进行了分 析。研究发现，通过调节光纤的结构参数可以将该 PCF 的双折射最大值调至所需的中红外波段 (3~10 m)，在 波长 = 8.214 m 处模式双折射达到了 0.16，且 偏振方向非线性系数 = 0.15 m-1 -1，即该光纤在中红外波段同 时具有高双折射和高非线性。这种光纤有望实现中红外波段超短脉冲展宽，进一步扩展中红外波段的激光源。
[6] Gill D S, Eason R W, Zaldo C, et al.. Characterisation of Ga-LaS chalcogenide glass thin-film optical waveguides, fabricated by pulsed laser deposition [J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 1995,191 (3): 321-326.
= 578 ℃，析晶温度 = 728 ℃，差值 =150 ℃。制作 GLS 玻璃时将配好各种组分放到玻璃质 的坩埚里，放入 Ar 气流恒定不变（ 200 mL/min）
(12): 5715-5722.
[5] Chen M Y. Polarization and leakage properties of large-mode-area microstrured-core optical fibers [J]. Optics Express, 2007,15 (19): 12498-12507.
围是 1.24~ 0.074 m-1 W-1，波长 = 8.214 m 处 偏
振模非线性系数 = 0.15 m-1 W-1。
(a) 1= 1.0 m, 2= 3= 0.4 m确定, 改变
(a) 1= 1.0 m, 2= 3= 0.4 m 确定, 改变
(b) =1.1 m, 1= 1.0 m, 3=0.4 m 确定, 改变 2
m， 1=1.0 m， 3 = 0.4 m， 2变化时， 偏振模 式的非线性系数随波长 的变化情况。从图中可以
看出随着 2的增大光纤的非线性系数增大，原因是 增大 2 使得光纤的有效模式面积减小了。当