光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
非线性在光子晶体中的应用及研究进展
中央民族大学硕士期末论文Master Final Thesis of Minzu University of China非线性在光子晶体中的应用及研究进展姓名：李予喜学号：S101039课程名称：高等物理光学专业：环境科学指导教师：陈笑2011年7月12日非线性在光子晶体中的应用及研究进展（环境科学 S101039李予喜）摘要：非线性的出现补充和发展了光子晶体的特性和功能。
本文简单概括了非线性在可调谐光子晶体及光子禁带微腔、光子晶体光开关、光子晶体光纤等应用方面的研究进展，这对充分认识非线性的重要性及其应用潜力，进一步深入研究具有重要的意义。
关键词：非线性，光子晶体，研究进展1.引言20世纪80年代开始, 非线性光学发展与材料研究的结合成为研究的重点内容。
不同于线性光学效应, 强光源与物质的相互作用将产生各种非线性甚至高度非线性的光学过程。
自从1961年Franken 等人[1]实验上观测到光学二次谐波至今, 40 多年的发展使得非线性光学的内容不断得到补充和发展。
40 多年来, 非线性光学在激光与物质相互作用及其应用方面取得了巨大的进展。
非线性光学新效应和新材料的不断发展成为光信息科学应用和持续发展的源泉。
随着三阶非线性光学效应研究的不断深入，包括光学相位共轭、光学双稳态、全光开关等现象及其潜在应用的不断发现，为光信息科学与技术的发展提供了新的内容。
利用三阶非线性光学效应低成本和集成化地对光进行控制和高速处理成为光信息发展的目标。
光子晶体是由两种或者两种以上的介电材料在空间周期性排列所形成的一种新型的光子学材料[2-3]。
利用光子晶体的光子带隙特性,能够实现对电磁波的传输状态进行人工操控。
而非线性的出现补充和发展了光子晶体的特性和功能。
本文主要概括非线性在可调谐光子晶体及光子禁带微腔、光子晶体光开关、光子晶体光纤等方面的研究进展。
2.可调谐光子晶体可调谐光子晶体的光子带隙是可调控的,其位置和宽度能够随着外部参数的变化而改变，因此可调谐光子晶体不仅扩展了光子晶体的应用领域,而且还成为发展新型光子学器件的重要基础。
光子晶体光纤色散与非线性特性的研究
光子晶体光纤(PCF),可以实现极大的折射率调制和高度灵活的折射率分布,可以满足色散补偿光纤和高非线性光纤对大折射率调制的要求。基于PCF技术的色散补偿光纤和高非线性光纤具有十分优异的色散特性和非线性特性,是目前研究的热点问题域有限差分方法(FDFD)。以这两种方法为核心算法,开发了光子晶体光纤仿真软件。
对拉制出的光纤的测试表明,该PCF同时具有大模场面积和大负色散的特性。开发出了一套高分辨率、大动态范围的光纤模场测试系统。
利用该系统对制作的PCF的模场进行了测试,研究了其模场随波长演变规律。基于国产的高非线性PCF进行了慢光的研究。
首先解决了高非线性PCF与单模光纤的焊接难题。测试了该高非线性PCF的受激布里渊增益特性。
通过往单模PCF的特定空气孔中选择性注入聚合物,改变光纤的传输特性,使得光纤具有大负色散,且其色散可随注入聚合物折射率的改变被调节。论文介绍了关于一种大模场面积、大负色散的光子晶体光纤从理论设计、实验制作、色散测试以及模场测试的全过程。
首先设计出了一种符合光纤拉制工艺要求的大模场面积、大负色散的PCF。进行了光子晶体光纤的实验拉制。
该软件界面友好,操作简单,通用性强,可以仿真任意结构的光子晶体光纤。运用所开发的仿真软件,对PCF进行了几种理论设计和仿真。
首先,利用FDTD研究了带隙型PCF,获取了光纤的导引频率、泄漏损耗和模场分布。其次,提出了一种宽带色散补偿光子晶体光纤的设计。
通过在内包层引入一圈柚子形空气孔,大大改善了光纤的色散性能,其色散曲线在至少60nm带宽内随波长线性变化,解决了双芯PCF负色散带宽窄的问题。论文还提出了一种色散可调的PCF。
应用该PCF进行了慢光的研究。通过使用50米高非线性PCF,实现了最大半个脉冲宽度的时间延迟。
光纤中的非线性效应的研究
光纤中的非线性效应研究一、引言进入21世纪以来，随着语音、图像和数据等信息量爆炸式的增长, 尤其是因特网的迅速崛起，人们对于信息获取的需求呈现出供不应求的态势。
这对通信系统容量和多业务平台的服务质量提出了新的挑战，也反过来推动了通信技术的快速发展。
1966年，美籍华人高锟博士提出可以通过去杂质降低光纤损耗至20dB/km ，使光纤用于通信成为可能，从而开启了人类通信史的新纪元。
与传统的电通信相比，光纤通信以其损耗低、传输频带宽、容量大、抗电磁干扰等优势备受业界青睐，已成为一种不可替代的支撑性传输技术。
光纤通信自从问世以来，就一直向着两个目标不断发展，一是延长无电中继距离；二是提高传输速率（容量）。
随着掺铒光纤放大器（EDFA ）的大量商用，大大增加了无电中继的传输距离；同时，密集波分复用（DWDM ）技术的成熟，极大地增加了光纤中可传输信息的容量，降低了成本。
光纤通信技术正朝着超高速超长距离的方向发展，并逐步向下一代光网络演进。
但随着波分复用信道数的增加，单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为制约系统性能的主要因素。
高速长距离传输必须克服非线性效应的影响。
因此，如何提高光纤传输系统的容量，增加无电中继的传输距离，克服非线性效应，已经成为光纤通信领域研究的热点。
本文详细介绍了在光纤中的几种重要的非线性现象，引出了非线性折射率相关的自相位调制（SPM ）、交叉相位调制（XPM ）和四波混频（FWM ）等克尔效应，以及与受激非弹性散射相关的受激喇曼散射（SRS ）与受激布里渊散射（SBS ）效应。
二、光纤的非线性特性在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。
从其基能级看，介质非线性效应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，结果导致电耦极子的极化强度P 对于电场E 是非线性的，但满足通常的关系式(1)(2)(3)0(:)P E EE EEE εχχχ=⋅+++ 式中，是真空中的介电常数，阶电极化率，考虑到光的0ε()(1,2,)j j χ=偏振效应， 是 阶张量。
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。
光纤中的非线性效应的研究
光纤中的非线性效应的研究摘要：光纤作为一种传输信号的重要媒介，其在通信、光学传感、激光器等领域的应用日益广泛。
然而，光纤在传输过程中会出现非线性效应，影响光信号的传输质量和性能。
本文主要研究光纤中的非线性效应，并分析其原理和影响因素。
通过对非线性效应的研究，可以为光纤通信系统的设计和优化提供理论依据和技术指导。
1. 引言光纤通信系统作为现代通信技术的关键组成部分，其性能的优化对于提高通信效果至关重要。
然而，光纤中的非线性效应却不可忽视，会使光信号的传输出现色散、眩光、非线性失真等问题，降低通信系统的性能和传输质量。
因此，对光纤中的非线性效应进行深入研究，可以帮助我们更好地理解光信号在光纤中的传输机制，为光纤通信系统的设计和优化提供理论依据和技术指导。
2. 光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应一般分为自相位调制、光学色散和拉曼散射等。
自相位调制是指光信号在光纤中传输过程中可能发生的相位抖动，其主要原因是光信号对光纤介质中的非线性折射率敏感。
光学色散是指由于光信号在光纤中传输速度不同引起的色散效应，导致光信号在光纤中传播时的波形失真。
拉曼散射是指光波在光纤中与光纤材料产生光子-声子相互作用而产生的散射效应。
3. 非线性效应的原理光纤中的非线性效应主要与光信号的光强、频率和相位相关。
当光纤中光信号强度较高时，会引起材料的非线性折射率变化，进而导致自相位调制。
而光纤中材料的色散性质直接影响着光波在光纤中的传播速度，从而产生光学色散效应。
拉曼散射则是光波与光纤材料中晶格振动和声子相互作用产生的结果。
4. 非线性效应的影响因素非线性效应的程度受到多个因素的影响，其中包括光信号的光强、频率、波长、传输距离等。
光信号的光强越高，非线性效应越明显；光信号的频率和波长对于非线性效应的影响则与光纤的色散特性有关；传输距离对于光信号的传输质量和非线性效应的程度也有重要影响。
5. 非线性效应的应用尽管非线性效应会对光信号的传输质量造成一定的影响，但也有一些非线性效应被应用于光纤通信系统中。
光纤通信系统中的非线性效应研究
光纤通信系统中的非线性效应研究随着现代通信技术的不断发展，光纤通信系统已经成为了当前最主要的通信方式。
而光纤通信系统的稳定性和性能表现则直接决定了整个通信网络的质量和稳定性。
然而，由于光纤传输介质的特殊性质，光纤通信系统的中还存在着一些复杂而难以解决的问题，其中最主要的问题便是非线性效应。
一、光纤通信系统中的非线性效应光纤通信系统是利用光学信号进行信息传输，信号在传输过程中会受到一系列的损耗和干扰。
而在信号传输过程中产生的一些复杂的光学现象就是非线性效应。
这些非线性效应主要包括：自相位调制、非线性色散、拉曼散射等。
自相位调制在光纤通信系统中的影响非常大，它是由于非线性折射率的变化引起的。
在光信号传输中，光信号在光纤中的强度会随着传输距离的增加而逐渐减弱，这是由于信号的传输中会受到一定程度的损耗和干扰。
而在信号的传输中，光子之间相互作用会引起信号相位的变化，这种现象就是自相位调制。
自相位调制会引起光信号的失真和延迟，从而影响到光信号的传输性能。
非线性色散现象是指在光波的传输过程中，光波的相位速度会随着光强的变化而发生变化。
这会导致信号在光纤中传输过程中出现时间糊化、波形失真等问题，从而对光纤传输的性能造成影响。
拉曼散射是指在光信号传输中，光与介质原子或分子产生相互作用，产生新的光子或声子。
其主要影响表现为信号失真和降低信号功率。
二、非线性效应的研究现状针对光纤通信系统中的非线性效应，目前研究的工作主要包括：1、非线性效应的数学模型建立和分析建立可靠的数学模型是研究非线性效应的重要前置工作。
通过对非线性光学现象的理论解析和实验研究，目前已经建立了诸如标准模式耦合方程、耦合波方程等数学模型，并且对这些数学模型进行了深入研究。
2、非线性效应的实验研究现代光学仪器的高精度和高灵敏度，为研究非线性效应提供了很好的实验基础。
近年来，很多国内外研究团队通过实验手段研究了光纤通信系统中的非线性效应，获得了丰富的实验数据，对非线性效应的研究提供了重要的参考。
光子晶体光纤的原理_应用和研究进展
・综述・光子晶体光纤的原理、应用和研究进展Ξ池 灏,曾庆济,姜 淳(上海交通大学宽带光网技术研发中心,上海200030) 摘要:光子晶体光纤(PO F)与普通光纤在光纤结构、单模特性、色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。
本文将简要分析PCF的原理,并探讨其重要特性以及应用价值,最后回顾了近来PCF的研究进展。
关键词:光子晶体;光纤;光子晶体光纤(PCF);多孔光纤;色散补偿;非线性中图分类号:O753;O734 文献标识码:A 文章编号:100520086(2002)0520534204Photon ic Crysta l F iber:Theory,Appl ica tion s and Recen t ProgressCH I H ao,ZEN G Q ing2ji,J I AN G Chun(Center fo r B roadband Op tical N etw o rk ing T echno logy,Shanghai J iao tong U niversity,Shanghai200030,Ch ina)Abstract:Pho tonic crystal fibers(PCF)are quite different from standard op tical fibers in fiber structure,mode p roperty,dispersi on and nonlinearity.In th is paper,theo ry,i m po rtant p roperties and app licati ons,and recent advances of these fibers w ill be p resented.Key words:Pho tonic crystal;Op tical fiber;Pho tonic C rystal F iber(PCF);Ho ley fiber;D ispersi on com2pensati on;N onlinearity1 引 言 光子晶体(p ho ton ic crystal)概念最初由E.Yab2 lonovitch和S.John[1,2]于1987年各自提出的。
新型光子晶体光纤的理论设计及其二阶非线性效应
二阶非线性效应的基本概念
总结词
二阶非线性效应是指在强光作用下，介质折射率随光强变化而产生的光学效应。
详细描述
二阶非线性效应是光与物质相互作用的一种重要形式，它涉及到光场对物质极化强度的二次效应。在 强光作用下，物质的折射率会随光强的变化而发生改变，从而产生一系列的二阶非线性光学现象。
二阶非线性效应的物理机制
实验制备与测试
通过实验制备光子晶体光纤样品，并 进行性能测试，验证设计效果。
新型光子晶体光纤的应用前景
光通信领域
新型光子晶体光纤具有低损耗、高带宽等优点，在光通信领域具有广阔的应用 前景。
非线性光学领域
新型光子晶体光纤具有强的二阶非线性效应，在非线性光学领域具有重要的应 用价值。
02
二阶非线性效应的理论基础
总结词
二阶非线性效应的产生与微观粒子间的相互作用有关，涉及到电子、原子核和分子的极化率和光学频率的响应。
详细描述
二阶非线性效应的产生与介质内部微观粒子（如电子、原子核和分子）的相互作用有关。在强光作用下，介质内 部粒子会发生极化，产生偶极矩，进而产生宏观的非线性光学响应。这种响应与介质内部粒子间的相互作用、能 级结构和光学频率的响应密切相关。
材料选择
材料的光学特性和物理性质对二阶非线性效应具有重要影响。选择具有适当折射率和非线性系数的材料，可以提高二 阶非线性效应的效率。
波导尺寸
波导尺寸的大小影响光子晶体光纤的模场分布和光强集中度。通过调整波导尺寸，可以优化二阶非线性 效应的转换效率。
二阶非线性效应对理论设计的反馈
实验验证
优化目标
根据二阶非线性效应的具体应用需求，优化理论设 计目标，以满足特定条件下的性能要求。
新型光子晶体光纤的基本理论
光纤通信中的非线性光学效应研究与应用
光纤通信中的非线性光学效应研究与应用随着互联网和数字通信技术的快速发展，光纤通信已成为现代通信领域的重要组成部分。
而要实现高速、高带宽的光纤通信，非线性光学效应的研究与应用显得尤为重要。
本文将探讨光纤通信中的非线性光学效应的研究现状、原理及其应用。
一、非线性光学效应的概念和原理在光纤中，当光的强度达到一定程度时，光的电磁波属性将会发生明显改变，这种变化被称为非线性光学效应。
非线性光学效应中常见的有自相位调制（SPM）、自发强度调制（SIM）、四波混频（FWM）等。
非线性光学效应的原理是基于介质对光的响应与其光强的非线性关系。
光纤中的非线性效应是由非线性极化率所引起的，这种极化率与光强相关。
当光强增强时，非线性极化率的变化将会导致光的传输特性发生改变，进而影响光纤通信系统性能。
二、非线性光学效应的研究现状在过去的几十年里，非线性光学效应在光纤通信领域得到了广泛的研究与应用。
研究者通过对非线性光学效应的深入研究，不仅揭示了其物理机制，还提出了许多有效的光纤通信系统性能优化方法。
首先，研究者通过理论分析和实验验证，深入研究了非线性光学效应对光纤通信系统的影响机制。
他们发现，在高速、长距离光纤通信系统中，非线性光学效应会对光信号的传输质量产生显著的影响，导致信号的失真和衰减。
其次，研究者通过改变光纤材料的结构和光信号的调制方式，提出了一系列有效的非线性光学效应控制方法。
例如，通过控制光信号的光强分布，可以减小非线性光学效应的影响，提高传输系统的性能。
此外，研究者还通过引入非线性光学效应的特殊调制技术，提高了光纤通信系统的传输速率和容量。
光纤通信系统中的非线性光学效应可以用于实现光的调制、调制解调器和光时钟等功能，进一步提高了系统的性能和功能。
三、非线性光学效应的应用非线性光学效应在光纤通信中有着广泛的应用前景。
以下将介绍几个非线性光学效应在光纤通信系统中的具体应用。
1. 光纤光学参量放大器光纤光学参量放大器（OPA）是利用非线性光学效应的能力而设计的一种放大器。
光子晶体波导的非线性效应研究
光子晶体波导的非线性效应研究光子晶体波导是一种基于光子晶体结构的光学波导器件，其特点是具有高度指向性和可调谐性。
光子晶体波导的非线性效应是其重要的性能之一，研究这种非线性效应能够扩展其应用领域并提高其性能。
非线性效应是指光的电荷和极化率与光强之间的关系不是线性的。
光子晶体波导的非线性效应可以通过在光子晶体中引入材料的二阶或高阶非线性极化来实现。
通过控制非线性材料的位置和分布，可以调节光子晶体波导的非线性效应。
光子晶体波导的非线性效应主要包括自相位调制、自频移效应和非线性光激发效应。
自相位调制是指光子晶体波导的折射率会随着光的强度发生变化。
当光子晶体波导处于正常色散情况下时，当光的强度增大时，折射率也会随之增大，从而引起相位的变化。
这种自相位调制效应可以用于光通信中的光波长转换和光开关等应用。
自频移效应是指光子晶体波导中的光会随着传输距离的增加而发生频率的变化。
这种效应可以通过调节光子晶体波导的尺寸和折射率来实现。
自频移效应可以用于光时钟和光频率转换等应用。
非线性光激发效应是指通过外界激励使光子晶体波导中的非线性极化发生变化，从而产生新的频率成分。
这种效应可以通过在光子晶体波导中引入非线性材料或外部控制光束进行实现。
非线性光激发效应可以用于光频率梳、光调制和光源等应用。
光子晶体波导的非线性效应研究需要综合使用光学理论分析、电磁场模拟和实验验证等方法。
首先，可以通过光学理论分析对光子晶体波导的结构进行设计和优化。
其次，通过电磁场模拟可以模拟和分析光子晶体波导中的光场分布和非线性效应。
最后，通过实验验证可以验证和优化光子晶体波导的非线性效应。
光子晶体波导的非线性效应研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
它不仅可以在光通信、光传感和量子通信等领域发挥作用，还可以为光电子集成和光量子计算等领域提供基础支持。
因此，加强光子晶体波导的非线性效应研究，对于推动光子学科学的进展和实现新的光学器件和系统具有重要意义。
非线性光学在光子晶体中的关键技术与发展趋势分析
非线性光学在光子晶体中的关键技术与发展趋势分析非线性光学是研究光与物质相互作用时非线性效应的学科领域，主要研究光的强度、频率或波长与物质之间的相互作用。
光子晶体是一种具有周期性介电常数的光学材料，通过特殊的结构和周期性排列形成的人工晶体。
非线性光学在光子晶体中的关键技术与发展趋势是当前研究的热点之一。
一、非线性光学定律与实验准备1. 非线性效应定律：非线性光学的核心是研究光的强度与物质的相互作用，其中著名的非线性效应定律有：光学瞬态效应、光学非线性折射、光学非线性散射等。
2. 实验准备：进行非线性光学实验需要准备以下条件：(1) 光源：稳定的光源是进行实验的基础，可以选择连续激光器或脉冲激光器；(2) 介质选择：根据实验需求选择合适的介质，常用的有光纤、液体晶体、半导体等；(3) 光路设计：根据实验需求设计合理的光路，包括透镜、棱镜、分束器等光学元件；(4) 信号检测：选择适当的探测器进行信号的检测和记录。
二、非线性光学实验过程1. 器件制备：根据实验需要，在光子晶体的制备过程中引入非线性材料，可以通过混合不同的材料、掺入掺杂剂等方法来实现；2. 光源选择：选择合适的激光器作为光源，激光器的参数包括波长、功率等需要根据实验需求进行调节；3. 光路设计：设计合理的光路，使得激光照射到样品上，通过调节光路中的光学元件，如透镜、棱镜等，可以改变激光的聚焦、扩束等特性；4. 信号检测与处理：根据实验需求选择适当的探测器进行信号的检测和记录，可以使用光电探测器、光谱仪等设备进行测量与分析。
三、非线性光学实验的应用1. 全光通信：非线性光学在全光通信中的应用表现为能够将光信号进行调制、传输和解调，提高传输速率和带宽，解决光纤通信中的信号衰减和色散问题；2. 激光成像：非线性光学在激光成像中的应用主要体现在多普勒成像、光声成像等方面，可以实现高分辨率、高灵敏度的生物医学成像；3. 光子器件：非线性光学用于光子器件的制备中，如光开关、光放大器、光逻辑门等，能够实现光信号的控制和处理；4. 量子计算与量子通信：非线性光学在量子计算和量子通信中的应用表现为光量子门的实现、量子纠缠的传输等，具有快速、高效的特点。
新型光子晶体光纤的理论设计及其二阶非线性效应研究
独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文摘要光子晶体光纤作为近十几年来光纤技术领域中所取得的一项最了不起的成就，由于其众多独特的导光特性而备受关注。
如今，随着光子晶体光纤拉制技术的不断改进和完善，光子晶体光纤已经在光纤通信、传感、生物医学等多个领域得到了极为广泛的应用。
因此，对新型高性能光子晶体光纤的设计是一项持续而富有挑战性的工作。
本论文围绕目前光子晶体光纤设计过程中所存在的几个问题，设计了几种高性能的新型光子晶体光纤，并对这些光子晶体光纤的导光特性做了详细的理论研究，其主要的研究内容如下：(1)对矩形晶格结构光子晶体光纤内的导模特性进行了理论研究，同时利用条形光波导中的模式命名方法对这些模式进行了命名。
此外，我们还根据光子晶体光纤的最小波扇面和相应的边界条件把光纤内的导模分成了四类非简并模。
(2)设计了一种新型的超高双折射低损耗椭圆孔矩形晶格结构光子晶体光纤。
系统研究了光子晶体光纤的结构参数对其双折射和限制损耗的影响，研究结果表明：该光子晶体光纤在波长1.55 μm处的双折射可以高达5.62×10-2。
光纤通信系统中的非线性效应研究
光纤通信系统中的非线性效应研究随着现代通信技术的发展，光纤通信成为了一种主流的传输方式。
光纤通信系统具有传输速度快、容量大、干扰少等优点，但随之而来的也有一些挑战，其中之一便是光纤中的非线性效应。
光纤通信系统中的非线性效应是指在光纤中传输光信号时，光信号的强度和波长与光纤中材料的光学特性之间发生的相互作用。
这种相互作用会引起光信号的变形、色散和光强的衰减，进而影响到信号的传输质量和距离。
其中，光纤中最常见的非线性效应是自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM），主要是由于光信号的强度变化导致了光的相位的变化，进而导致了光信号的频谱发生扩展，造成了光信号的失真。
另外，光纤中还存在非线性折射率（Nonlinear Refractive Index, NLRI）效应。
这个效应是指在当光信号的强度很高时，光的折射率会随着光强的变化而发生改变，导致光信号在光纤中传播时发生损耗和波长的漂移。
此外，还有自发参量混频（Spontaneous Parametric Mixing, SPM）和四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）等效应会对光信号的传输产生影响。
自发参量混频是指在非线性光纤中，光信号会通过相互作用而产生新的频率成分，造成光信号的频率扩展；四波混频是指光信号在光纤中与其他光信号相互作用产生的混频效应，导致光信号的波长转换和损耗。
为了解决光纤通信系统中的非线性效应问题，研究人员和工程师们提出了一系列的解决方案和技术。
其中一种常用的方法是采用非线性光纤（Nonlinear Fiber, NLF）来增加信号的传输容量和距离。
非线性光纤具有特殊的光学特性，可以减少非线性效应的发生，提高信号的传输质量和距离。
此外，还可以使用光纤的制造工艺和光纤的材料来减少非线性效应的发生。
例如，采用光纤的折射率分布和材料的选择来最小化光信号的色散和非线性效应。
另一种解决方案是使用预先调制（Pre-Compensation）技术来抵消非线性效应的影响。
光纤通信中的非线性效应与抑制方法研究
光纤通信中的非线性效应与抑制方法研究随着信息技术的快速发展和人们对高速、大容量数据传输需求的不断增长，光纤通信已经成为现代通信系统的主要传输媒介。
然而，在光纤通信中，非线性效应却成为了一个严重的问题，影响了光信号传输的质量和性能。
本文将针对光纤通信中的非线性效应进行深入的研究，并探讨一些常见的非线性抑制方法，旨在为光纤通信系统的优化和改进提供参考。
一、非线性效应的原理光纤通信中的非线性效应主要包括色散效应、自相位调制效应、四波混频效应和光纤非线性效应等。
色散效应是指光脉冲在传输过程中，不同波长的光信号由于折射率不同而导致传输速度的差异。
自相位调制效应则是指光信号在光纤中传输时，由于非线性介质折射率的变化而导致相位的扭曲。
四波混频效应指在光纤传输过程中，不同频率的光信号通过非线性介质的相互影响而产生新的频率成分。
光纤非线性效应指光信号与光纤的非线性特性相互作用所引起的一系列非线性现象。
二、非线性抑制方法的研究在光纤通信中，为了抑制非线性效应，提高信号传输的质量和性能，研究人员提出了许多有效的方法。
以下列举了几种常见的非线性抑制方法：1. 光纤光栅技术：光纤光栅技术是一种使用光敏材料制作的光纤传感器，通过在光纤中引入周期性的折射率变化，可以有效地调整光信号的频率和衰减。
通过适当设计和调整光纤光栅的结构参数，可以实现对非线性效应的抑制和优化。
2. 相位预调制技术：相位预调制技术是一种通过改变光信号的相位来抑制非线性效应的方法。
通过在光信号传输前对信号进行相位调整，可以降低非线性效应对信号的影响，提高系统的传输性能和容量。
3. 纤芯直径调整技术：纤芯直径调整技术是一种通过改变光纤的纤芯直径来抑制非线性效应的方法。
通过改变纤芯的直径和折射率，可以调整光信号的传输速度和相位特性，从而降低非线性效应对光信号的影响。
4. 光纤耦合器技术：光纤耦合器技术是一种通过将光信号分割成多个信号并独立传输的方法。
通过将光信号分割成多个频率和相位不同的部分，并分别传输，可以减少非线性效应对光信号的影响，提高信号的传输质量和容量。
光子晶体光纤非线性光学研究新进展_王清月
第33卷 第1期2006年1月中 国 激 光CHIN ESE JOU RNA L OF LASE RSVo l.33,N o.1January ,2006 文章编号:0258-7025(2006)01-0057-10光子晶体光纤非线性光学研究新进展王清月,胡明列,柴 路(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)摘要 光子晶体光纤(P CF ),又称为多孔光纤(HF )或微结构光纤(M F ),是一种单一介质,并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。
光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性,从1996年世界上制造出第一根光子晶体光纤以来,它便受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。
介绍了光子晶体光纤的制作工艺、工作原理、基本特性、目前的研究重点和进展情况,重点评述了光子晶体光纤非线性光学方面的研究及其潜在的应用。
关键词 光子晶体光纤;无截止单模;色散;非线性;飞秒激光中图分类号 O 437 文献标识码 AProgress in Nonlinear Optics with Photonic Crystal FibersWA NG Qing -yue ,H U M ing -lie ,CHAI Lu(Ultra f ast L aser L aboratory ,Colle ge o f Precision I nstrument and Optoelectronics Engineering ,T ian jin University ,K ey L aboratory o f Opto -E lectronics I n formation and Technical Science (T ian jin University ),Ministry of Ed ucation ,T ianj in 300072,China )A bstract Photo nic cry stal fibers (PCF s ),also called holey fibers (H Fs )or microstr ucture fibers (M F s ),are a newclass o f sing le -material optical fibers with w av eleng th -scale air holes running dow n the entire leng th.PCFs were first developed in 1996and hav e subsequently been the focus o f inc reasing scientific a nd technological interest ,due to their unique and pro mising pro per ties.T he ma nufacturing ,principles ,ba sic pro per ties and applications o f P CF s a re briefly de scribed.A detailed review of the r esear ch on the nonlinear effects and the po ssible applica tions o f these effects of P CFs are presented.Key words pho tonic cry stal fiber ;endless sing le mode ;dispe rsion ;no nlinea r ;fem to seco nd la ser 收稿日期:2005-10-08;收到修改稿日期:2005-12-01 基金项目:国家自然科学基金(60278003),国家973计划(G 1999075201,2003CB314904)和国家863计划(2003A A311010)资助项目。
光子晶体中的非线性光学效应研究
光子晶体中的非线性光学效应研究光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，其特殊的光学性质引起了研究人员的广泛关注。
在光子晶体中，非线性光学效应的研究成为了热点领域。
本文将围绕光子晶体中的非线性光学效应展开讨论，探索其研究进展、应用前景以及未来可能的发展方向。
一、光子晶体简介光子晶体是由介质构成的二维或三维周期性结构，其周期性的排列使光子晶体具有特殊的光学性质。
光子晶体中存在禁带结构，能够抑制特定频率的光波传播，这使得光子晶体在光学领域具有重要的应用潜力。
二、非线性光学效应非线性光学效应是指光与介质之间的相互作用在高光强下表现出非线性特性。
光子晶体中的非线性光学效应可以通过改变光强、频率或相位等参数来实现。
主要的非线性光学效应包括自聚焦效应、自相位调制效应、二次谐波产生效应等。
三、光子晶体中的非线性光学效应研究进展近年来，研究人员对光子晶体中的非线性光学效应进行了大量的实验和理论研究，取得了许多重要的进展。
例如，利用光子晶体中的非线性光学效应可以实现光调制器、光开关、光放大器等光学器件的设计和制造。
此外，光子晶体的非线性光学效应还可以用于光学传感、全光计算等领域的应用。
四、光子晶体中非线性光学效应的应用前景光子晶体中的非线性光学效应具有广阔的应用前景。
光子晶体在光通信、光子计算和光学传感等领域有着重要的应用潜力。
光子晶体的特殊结构使得其具有较高的光学品质因子和较低的光损耗，这为实现高效的光子器件奠定了基础。
五、光子晶体中非线性光学效应研究的未来发展方向随着科学技术的不断进步，人们对光子晶体中的非线性光学效应研究有了更深入的认识。
未来的研究方向可以集中在光子晶体材料的设计与制备、非线性光学器件的性能提升以及光子晶体在光学传感和信息处理领域的应用等方面。
同时，也需要进一步深入了解光子晶体中的非线性光学效应机制，以实现更加精确的控制和应用。
光子晶体中的非线性光学效应是当前研究热点之一。
通过对光子晶体结构的设计和制备，以及对非线性光学效应的深入研究，我们可以不断拓展光子晶体的应用领域，推动整个光学领域的发展。
光纤中非线性效应的研究
2003年3月第26卷第1期北京邮电大学学报Jo ur na l o f Beijing U niv e rsity of Posts and T eleco mmunica tio ns M a r.2003V ol.26N o.1 文章编号:1007-5321(2003)01-0073-05光纤中非线性效应的研究王健全, 顾畹仪(北京邮电大学电信工程学院,北京100876)摘要:提出了一种W DM 传输系统中光纤非线性效应的综合表达式,并提出了相应的算法——扩展的傅里叶算法.利用该综合表达式及其相应的算法可以对各种非线性效应作详细的分析和比较,有利于W DM 传输系统性能的模拟和分析.关 键 词:波分复用;四波混频;非线性中图分类号:T N 913.7 文献标识码:AThe Analysis of Fiber Nonlinear EffectsW AN G J ian -quan , GU Wan -yi(Telecomm unication Engineering School,Beijing Univ ersity of Pos ts and Telecommu nications,Beijing 100876,China)Abstract :A synthetical equatio n abo ut optica l fiber no nlinea r effects in W DMtransmissio n system is pro posed.A supplementa ry split-step Fo urier m ethod tosolve the equatio n is pro posed too.The equa tion and the solving method can be used to analyze and com pare am ong fiber no nlinea r effects ,while it avails to simulate a nd analy ze perfo rm ance of W DM transmission system .Key words :wav elength div isio n m ultiplexing;four wav eleng th multiplexing;nonlinear收稿日期:2002-01-10基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(60132020)作者简介:王健全(1974—),男,博士生.光纤的非线性效应已经有了详细的研究[1],特别是对单信道的非线性已有了详尽的描述.随着当今通信业务的急剧膨胀,光纤通信在超高速和超远距离方面的需求越来越大,对W DM 技术而言,要求复用信道之间的间隔越来越小,单信道速率越来越高,传输的距离要求越来越长.功率的增加、色散的减小、信道之间的间距减小必定使得非线性变得非常严重,这样在信道间隔较大时可以忽略的光纤非线性效应对系统的影响越来越大,变得不可忽略.在诸多非线性效应中,对等间距的W DM 系统影响最大的应该是四波混频(FWM ),因为它不仅造成信道功率上的损耗,更为重要的是FWM 效应产生的许多新的频率成分正好与原信道中的某些成分重合,这些新产生的频率就相当于这些信道的同频串扰,对该信道信噪比的影响很大.对于FWM 效应的避免方法已经有了比较深入的研究[2,3],但是对于非线性效应的综合表达式及其相应的详细分析尚未见过详尽的报道,本文就是给出多信道系统中多种非线性效应的综合表达式,并提出了其相应的算法和给出了数值分析. 1 理论分析在多信道情况下,电场可用如下表达式表示:E(z,t)=12∑Ni=1A i(z,t)exp(j k i t-j U i z)+c.c.(1)其中,A i(z,t)表示第i个信道的慢变振幅;k i、U i分别表示信道i的中心频率和传输系数;c.c.表示前面表达式的复共轭.下面分析信道之间的非线性效应.为简化推导,先取N=3,最后推广到一般的表达式.电极化强度的非线性分量为P N L(z,t)=X0i(3)E3(z,t)(2)其中,i(3)为三阶电极化率.将式(1)代入式(2),并整理得P N L(z,t)=18X0i(3){A31ex p(j3k1t-j3U1z)+A32ex p(j3k2t-j3U2z)+A33ex p(j3k3t-j3U3z)+3|A1|2A1ex p(j k1t-j U1z)+3|A2|2A2ex p(j k2t-j U2z)+3|A3|2A3ex p(j k3t-j U3z)+ 6[|A2|2+|A3|2]A1ex p(j k1t-j U1z)+6[|A1|2+|A3|2]A2ex p(j k2t-j U2z)+ 6[|A1|2+|A2|2]A3ex p(j k3t-j U3z)+6A1A2A3ex p[j(k1+k2+k3)t-j(U1+U2+U3)z]+6A1A2A*3ex p[j(k1+k2-k3)t-j(U1+U2-U3)z]+6A1A*2A3ex p[j(k1+k3-k2)t-j(U1+U3-U2)z]+6A*1A2A3ex p[j(k3+k2-k1)t-j(U3+U2-U1)z]+3A21A2ex p[j(2k1+k2)t-j(2U1+U2)z]+3A21A3ex p[j(2k1+k3)t-j(2U1+U3)z]+3A22A1ex p[j(2k2+k1)t-j(2U2+U1)z]+3A22A3ex p[j(2k2+k3)t-j(2U2+U3)z]+3A23A1ex p[j(2k3+k1)t-j(2U3+U1)z]+3A23A2ex p[j(2k3+k2)t-j(2U3+U2)z]+3A21A*2ex p[j(2k1-k2)t-j(2U1-U2)z]+3A21A*3ex p[j(2k1-k3)t-j(2U1-U3)z]+3A22A*1ex p[j(2k2-k1)t-j(2U2-U1)z]+3A22A*3ex p[j(2k2-k3)t-j(2U2-U3)z]+3A23A1ex p[j(2k3-k1)t-j(2U3-U1)z]+3A23A2ex p[j(2k3-k2)t-j(2U3-U2)z]}+ c.c.(3)从上述推导的结果可以看出,非线性效应致信道之间的相互作用所产生的新频率非常多,包括和频、差频及倍频.3个信道由于非线性效应产生的非线性项总共有216项,当复用的信道数为N时,产生的非线性项为8N3项,此外也不难看出,这些非线性项每一项都与一个新频率相对应,当然这些频率中有相当一部分是相互重合的.以上述第2信道为例,中心频率项满足(j k2t)的项有3|A2|2A2exp(j k2t-j U2z)和6|A1|2+|A3|2A2ex p[j k2t-j U2z)两项,分别对应SPM和X PM项,而且若信道间隔相等,即满足k2-k1=k3-k2时,则6A1A*2A3ex p[j(k1+ k3-k2)t-j(U1+U3-U2)z]同样也满足中心频率为k2,它对应FWM产生的非线性项.可以看出,FWM效应与相位的匹配关系密切,这也就是FWM为参量过程的原因.由式(3)可以看出,除了以上几项外,其他各项的中心频率与k2之间的间距为信道间距的整数倍.由于接收端或系统中都有滤波器,所以这些项对所研究信道的影响非常小,而对于自相位调制(SPM)、互相位调制(X PM)和四波混频效应产生的与参考信道同频的项,则无法从系统本身消除,所以系统分析时必须考虑这些项的影响.据归纳法可得出,对N路复用信号而言,第Ⅰ路信号综合的表达式为74北京邮电大学学报第26卷 z A i +T 2A i +U i 1 A i t +j 2U i 2 2A i t 2-16U i 3 3A i t 3=j V |A i |2+_∑k =1k ≠i |A k |2A i +j V∑l ≠n ,m ≠ni =l +m -n d lm A l A m A *n ex p [j(U i +U n -U l -U m )z ], i ∈{1,…,N }(4)其中,l 、m 、n 均属于{1,…,N };T 为衰减系数;V 为非线性系数,V =n 2k 0cA eff ;dlm =1,l =m2,l ≠m ,_取2/3或者2.式(4)中综合考虑了光纤的衰减、色散、SPM 、X PM 和FWM 效应,它是一个相当复杂的非线性方程组,需要n 个方程联立为方程组才能求解.其中n 为W DM 系统复用的信道数,当n 增加时,其求解的复杂度和运算量就会成指数增加.2 分步傅里叶算法多信道的传输分步傅里叶计算方法简介图如图1所示.图1 多信道的传输分步傅里叶计算方法方程(4)可改写为A i z D ^i +N ^i A i +j V ∑l ≠n ,m ≠ni =l +m -nd lm A l A m A *n ex p (ΔU lnmi )(5)其中,D ^i =-j 2U i 2 2 T 2i +16U i 3 3 T 3i -T 2,N ^i =j V |A i (T i )|2+2∑k =1k ≠i |A k (T k )|2.单步计算后结果为A i (z +h ,T i )≈F -1ex p hD ^(j k )F [U i (z ,T i )]ex p(hN ^i )+ΔA i(6)对于 A i z=D ^i +N ^i A i 的解法在文献[1]中已有了详细的描述,这里仅分析ΔA i 的解法.利用分步傅里叶算法的原理知ΔA i 仅对应四波混频的作用量,即z A i =j V ∑l ≠n ,m ≠ni =l +m -n d lm A l (T l )A m (T m )A *n (T n )ex p [j ΔU lmni z ]f lmn , i ∈{1,…,N }(7)可以推知,i 不可能等于l 或m ,但i 可能等于n .据积分的基本定义即和的极限,可以得知,若分步傅里叶算法的步长取得足够小,则有Δz +h (T m )A *n (T n )ex p [j ΔU lmn z ]f lmn ≈75 第1期王健全等:光纤中非线性效应的研究j V ∑l ≠n ,m ≠ni =l +m -n d lm A l z +h 2,T l A m z +h2,T m A *n z +h 2,T n f lmn∫z +h z ex p [j ΔU lmn z ]d z =j V∑l ≠n ,m ≠ni =l +m -n d lm A l z +h 2,T l A m z +h 2,T m A *n z +h 2,T n f lmn e j ΔU lmni (z +h )-e j ΔU lmni (z )j ΔU lmni (8)上述公式中,A (z ,T )均取作A z +h 2,T ,这主要是利用梯形法来减小计算误差.3 数值模拟图2所示为输入信号在G .653中传输时的归一化时域波形,其中T dB =0.22dB ;U2max =(a)间距为0.8nm ,s = 2.5G,N =4(b )s = 2.5G,间距为0.4n m,N =4(c )s = 2.5G ,间距为0.4nm ,N =8(d )s =10G ,间距为0.8nm ,N =4(e)s =10,间距为0.4nm,N =4(f)s =10G,间距为0.4n m,N =8图2 输入信号在G.653中传输时的归一化时域波形76北京邮电大学学报第26卷 -0.637Ps 2/km ;U 3max =0.131Ps 3/km;A eff =55.418μm 2;V = 1.9W -1km -1;零色散点为1448nm;研究的波长为C 波段的信号;峰值功率P =1m W;S 为信号速率;N 为信道数.从上述分析不难看出,在G .652光纤中,无论是 2.5G 还是10G 的信号,传输中仅仅是展宽,也即仅仅是色散起主要的作用,非线性项表现的不太明显.从图2(a )～(f)中看到,信号在G.653光纤中传输时,不仅是在展宽,而且信号发生变形,这种变形随着信号速率、信道间隔、信道数和传输距离的变化而变化.信号速率增加、信道间隔窄化、信道数增加以及传输距离的增加,都将使信号严重变形,这些因素都影响着非线性效应的变化.因为GV D,SPM,X PM 均表现为对信号的展宽,所以图2中这些信号的变形主要反映了FW M 效应的变化.因为FW M 将产生新的频率,而这些新的频率可能与信号频率正好重合,这样这些新的频率成分就成了原信道的同频串绕,严重影响信号的质量.FWM 与信号速率、信道的间隔、信道数以及传输的距离直接相关,所以在DW DM 系统设计中对于信号速率、信道间距、信道数等都应作详细的分析.4 结 论本文提出了多信道系统下光纤传输中各种非线性效应的综合表达式,并且提出了其相应的方程组的算法,借助于这个综合表达式以及其相应算法,分别对G.652和G.653光纤中的各种情况做了分析和模拟.结果表明,影响信号传输的因素很多,包括信号的功率、速率、复用的信道数、信道之间的间隔,以及传输的距离都将对信号传输质量造成影响.利用本文得出的光纤传输综合效应表达式及其算法——扩展的分步傅里叶算法,可以对W DM 系统中的各种效应作综合的或者是单独的分析,也正因为如此,本文给出的综合效应表达式及其算法非常有助于W DM 系统的传输性能模拟和系统规划,此外对于各种非线性效应的分析比较,找出各自的抑制方案和适用范围也有相应的帮助.参考文献:[1] Govind P Ag ra wal.N o nliner fiber o ptics [M ].Seco nd Editio n.N ew Yo rk :The Institute o f OpticsU niv er sity o f Ro cheste r ,1995.[2] Fabrizio For ghieri ,T kach R W ,Ch raplyv y A R .W DM systems w ith unequa lly spaced cha nnels [J ].Lig htw ave T ech no lo gy ,1995,13(5):889-897.[3] Fabrizio Fo rg hieri,T kach R W ,Chraplyv y A R,et al.Reduc tion of fo ur-w av e mixing cro sstalk inW DM systems using unequally spaced channels [J ].IEEE Pho tonics T echnolog y L etters ,1994,6(6):754-756.77 第1期王健全等:光纤中非线性效应的研究。
光子晶体中的非线性光学效应研究
光子晶体中的非线性光学效应研究自从光子晶体的概念在20世纪80年代初被提出以来，它在光学领域中的引起了广泛的关注和研究。
光子晶体是一种具有周期性折射率结构的材料，它的折射率周期性变化导致了光的衍射和干涉效应，从而可以控制光的传播和调制。
相比于传统的非晶态或非周期性材料，光子晶体具有许多独特的光学性质，其中非线性光学效应是其中一个引人注目的研究方向。
非线性光学现象是指在高强度光场作用下，材料的光学性质不再服从线性的响应规律，而出现更为复杂的现象。
在光子晶体中，这种非线性效应可以通过控制光传播路径、光的频率、晶格结构等因素来实现。
这种非线性光学效应的研究不仅对于提高光学器件的性能有重要意义，还对于开展光学逻辑与量子计算等领域的研究具有重要意义。
在光子晶体中，最常见的非线性光学效应是光学频率倍增效应，也称为二次谐波发生。
这种效应是指一个入射频率为ω的光在晶体中产生频率为2ω的谐波。
在一维光子晶体中，通过周期性调制折射率的方法，可以实现相位匹配条件，从而使得二次谐波的生成效率大大提高。
二次谐波在光学通信、光学成像、生物医学等领域有着广泛的应用。
除了二次谐波发生，光子晶体中还可以实现其他非线性光学效应，如光学参量放大器和自相位调制等。
光学参量放大器是指在非线性光学材料中，在光的作用下，光学参量(如频率、振幅)发生放大的现象。
这种现象可以通过调制光传播路径和晶格结构来实现，从而实现对光场的增益控制。
这在光纤通信系统中具有重要意义，可以有效提高光信号的传输距离和质量。
自相位调制是光子晶体中另一个引人关注的非线性光学效应。
它是指在光的传播过程中，由于非线性极化效应，光的相位将发生调制，其幅度与光场密度相关。
通过调节入射光的强度和频率，可以实现对光子晶体中传播的相位进行有效调控。
这种现象在光学信息处理、光学成像等领域中有重要的应用前景。
非线性光学效应在光子晶体中的研究还面临着一些挑战。
首先，随着光的传输路径和晶格结构的增加，光子晶体中的非线性效应其功率传输效率会降低，这限制了光子晶体在实际应用中的广泛应用。
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。
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展一、本文概述光子晶体光纤，作为一种具有独特光学性质的新型光纤，近年来在光通信、光电子、生物医学等领域引起了广泛关注。
本文旨在全面介绍光子晶体光纤的原理、应用以及研究进展，以期为读者提供深入的理解和前沿的科研动态。
我们将概述光子晶体光纤的基本结构和光学特性，阐述其与传统光纤的区别和优势。
我们将详细介绍光子晶体光纤在光通信、光电子器件、生物医学成像等领域的应用实例，展示其在这些领域的独特作用和价值。
我们将总结当前光子晶体光纤研究的热点问题和发展趋势，以期为相关领域的研究者提供有价值的参考。
二、光子晶体光纤的基本原理光子晶体光纤，也被称为微结构光纤或空芯光纤，其基本原理主要基于光子带隙效应和光子局域化。
这种光纤的核心结构由周期性排列的空气孔组成，形成了一种类似于晶体的结构，因此得名光子晶体。
光子带隙效应是指，在特定频率范围内，光波在光子晶体中传播时，由于受到晶体结构的影响，某些频率的光波被禁止传播，形成所谓的“光子带隙”。
这种效应使得光子晶体光纤具有独特的传输特性，例如低损耗、高带宽等。
光子局域化则是指，当光波在光子晶体中传播时，受到晶体结构的影响，光波的能量被局限在某一特定区域内，形成所谓的“光子局域态”。
这种效应使得光子晶体光纤能够实现光波的高效传输和控制。
在光子晶体光纤中，光波主要在空气孔中传播，而非传统的光纤中的玻璃介质。
这种特殊的传输方式使得光子晶体光纤具有许多独特的性质，例如低损耗、高带宽、抗弯曲、耐高温等。
由于光子晶体光纤的结构灵活性，可以通过改变空气孔的大小、形状和排列方式等，实现对光波传输特性的精确调控，进一步拓展其应用范围。
光子晶体光纤的基本原理是基于光子带隙效应和光子局域化，通过特殊的结构设计实现光波的高效传输和控制。
这种光纤具有许多独特的性质和应用前景，是光通信领域的重要研究方向之一。
三、光子晶体光纤的应用领域光子晶体光纤作为一种独特的光传输媒介，其应用领域广泛而深远。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 是波长与非线性系数的关系（空气孔半径
，孔间距
）。非线性系数随波长的增
大而减小，而且在短波段的理论计算有很大的值。
图 有效模面积、非线性系数与纤芯直径关系图
图 波长与非线性系数的关系
中获得高非线性的方法
通过上面的讨论可以看到，在光子晶体光纤
中，由于高度可调的结构和色散特性，就可以合理
选择结构以及填充非线性材料来的到所需的光纤。
钱士雄 王恭明 非线性光学——原理与进展 旦大学出版社
上海 复
谭维翰 非线性与量子光学
北京 科学出版社
刘洁 杨昌喜 金国藩 等 一种新型高非线性色散平坦光子 晶体光纤结构 光学学报
王清月 栗岩锋 胡明列 等 光子晶体光纤非线性特性的研
究 物理
。
孙喜文 王清月 胡明列 等 光子晶体光纤中非线性传输的 数值分析 中国激光
应时，光纤中的非线性效应由于其作用长度长而有 其独特之处。在光纤中存在的非线性效应主要包括 以下几种：三次谐波（ ），四波混频（ ）， 自相位调制（ ），交叉相位调制（ ），受 激拉曼（ ）和受激布里渊散射（ ）等等。 测量非线性时常用自相位调制，所谓自相位调制是 指光场在光纤内传输时光场本身引起的相移，其大 小可以通过记录光场相位的变化得到
式中， 为电极化率。由于二氧化硅分子是对称结 构，因而石英玻璃的 等于零，因此光纤通常不显 示二阶非线性效应，光纤中的最低阶非线性效应起 源于三阶电极化率。
光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折 射率，而光纤的折射率可表示成
式中， 就是非线性折射率系数，它与三阶电极化 率 有关
在研究光与物质相互作用过程中的非线性效
等人采用小芯径－硅酸盐多孔 ，在
通信波长处达到了
；同时，英国的
公司拉制出了一系列的高非线性光纤，其非
线性系数范围为
。而丹麦的
公司也拉制出了非线性系数为
的光纤。莫斯科国家大学 拉制的 ，
第期
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
非线性系数在
处达到
，在 和色散都有限制，同时在非线性相移的测量中存在
而
的高非线性一直都是颇受关注的课题，研
究人员试图采用各种方法来提高非线性系数并对
此展开了一系列的理论和实验研究，并取得了一定
的成果 。
通过数值分析以及非线性系数的定义可以看 出要想提高非线性系数，一般来采取两种办法，一 是减小 ，二是增大 。而对于空气填充率，如若 不考虑其他因素则是越大越好。
图 是有效模面积（非线性系数）随纤芯直径 变化关系，可见减小纤芯直径有助于减小 ，增大 非线性系数。但是，不能只是一味的减小纤芯直 径，这是由于尽管单位面积上的光能量会很大，然 而由于纤芯较小，耦合进纤芯的总能量就不会很 大，这样，其产生的非线性效应也不会很强。
第 卷第 期 年月
文章编号：1007-791X (2008) 02-0134-06
燕山大学学报
光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
高 飞 ，侯蓝田 ，刘兆伦 ，苑金辉
（ 燕山大学 红外光纤与传感研究所，河北 秦皇岛
）
摘 要：首先介绍了光子晶体光纤中的非线性现象以及其形成原因，分析了非线性系数与光子晶体光纤结构参 数之间的关系，随后主要论述了在光子晶体光纤中获得较高非线性系数的方法，最后对现有的测量光子晶体光 纤非线性系数的方法进行了概括与比较。
而非线性相移就是
这为测量非线性系数提供了一种思路。
光子晶体光纤由于其高度可调的结构和色散
特性，使其非线性效应独具特点 ，它可以通过改
变光纤包层与纤芯的几何结构有效地控制和调节
其中的非线性光学过程，诸如通过
产生脉冲
压缩和展宽、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强
等效应，另外也有自相位调制、二次谐波和四波混
在 型光纤中， 是二氧化硅的折射率， 、 可由包层基模的有效折射率 来代替，于是，就可 以得到 中非线性系数
再根据全矢量有效折射率方法 可以计算得到包 层基模有效折射率
折射率引导型光子晶体光纤
光子带隙型光子晶体光纤
图 燕山大学拉制的光子晶体光纤端面图
这样，由式 和 就可以求得非线性系数和
， 以及光频率 的关系。图 和图 分别是
和
可知，只要测量出 就可
以通过数值计算得到自相位调制产生的相移，从而 就能求得非线性系数。
图 是该文献中测得一个频谱图，通过它就 可以求得非线性系数。这与单模光纤中的测量还有 一点差异，实际上对于折射率引导型光纤 是已知 的，只要求得有效模面积就可以得到非线性系数， 这为非线性系数的测量开辟了新的途径。这种测量 方法要求也是很严格的，对光纤的色散，长度，光 源要求都很高，因此，找到一种简便而又行之有效 的测量方法就成了当务之急。
胡明列 王清月 栗岩锋 等 飞秒激光在光子晶体光纤中产 生超连续光谱机制的实验研究 物理学报
李春雷 盛秋琴 光子晶体光纤非线性系数与其结构参量及光 波长的关系 光子学报
陈国庆 单模光纤有效面积测量研究 暨光电缆及系统测试技术研讨会 苏州
全国首届光通信
陈国庆 单模光纤 与电缆及其应用技术
波段非线性系数的测量方法 光纤
图
非线性系数与空气孔大小的关系
在折射率引导型光子晶体光纤中，对石英材料非线
性折射率系数的取值如下，
，
是有效纤芯面积 。
采用全矢量有效折射率方法进行数值处理 ，
可以知道对于阶跃型光纤，模场直径为：
，
而数值孔径
，同时有效模面积为
，因此有
图
非线性系数与空气孔间距的关系
燕山大学学报
由图可知， 的非线性系数随着空气孔增大 而增大，随着孔间距减小而增大，可见空气填充率 较大的应该会有较大的非线性系数。
数（约
）的
。通过改变空气
孔直径和孔间距来调整
的结构，进而数值模
拟色散和非线性系数，从而得到所需参数设计的光
纤。该方法为设计高非线性系数色散平坦光纤
提供了理论指导。
到 年为止，高非线性光子晶体光纤研究
进展如下。南安普顿大学光电子学研究中心研制的
折射率引导型光纤，纤芯直径约
，
处的非线性系数
，而南安普顿大学
第期
非线性
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展
的重要意义之一 。
按导光机理可以粗略的分为两类：即折射 率引导型光子晶体光纤（ ）和光子带隙型光子 晶体光纤（ ），其结构如图 所示。其中，折 射率引导型光子晶体光纤是在二维光子晶体中心 引入实芯来制作的，以其优异的高非线性特性成为 人们研究的热点。
结束语
光子晶体光纤的出现深化了对光与物质相互
作用的认识，扩展了光纤的应用领域，本文主要介
绍了 中非线性的成因和现象，如何获得较高
的非线性系数，以及一些非线性系数的测量方法，
这只是简要的介绍，期望对今后的
中的非线
性研究工作的展开有所帮助。
虚线为输入频谱；实线为输出频谱
图
中测量的到的典型频谱图
第期
高 飞 等 光子晶体光纤中的非线性效应的研究进展 参考文献
公司于 年的 会议中就
已经提出了一种零色散波长在
处的非线
性系数较高的 ，其 可达到
，这种
光纤的平均孔间距是
，平均空气孔直径是
，其纤芯直径为
，光纤外径
，
零色散点在
处。可以看到，在光子晶体
光纤中可以兼顾高非线性系数的同时灵活设计光
纤的色散，这是传统光纤所不可比拟的。
年，意大利的
大学采用数值模拟
的方法，模拟了兼顾最佳色散斜率和较高非线性系
而提高 ，一般有两种途径：一是在在纤芯中 掺杂（如掺锗等材料），这样也可以加强对光的限 制；另一个是使用高非线性折射率材料。这就是光 线设计和拉制中注意的两个问题。
中非线性研究进展
在光纤非线性研究中，不能仅考虑增大非线性 系数，增强非线性效应 ，还应该结合实际，在 达到高非线性的时候，对于色散损耗也应予以考 虑，这样才会得到更好的应用。
图 单脉冲激光器 法的实验装置图
图 双连续激光器 法实验装置图
燕山大学学报
图 、图 分别是交叉相位和四波混频测量的
实验装置图，前一个是通过测量得到基波和一次谐
波的比来计算
所引起的相移，从而得到非线
性系数；后一个则是从输出信号光谱图中得到泵浦
光强度与
产生的光强度之比，非线性系数就
可通过数值法求解非线性薛定鄂方程而得出。在文
华颖 陈永诗 单模光纤非线性系数 的测量方法 光 通信研究
李曙光 刘晓东 侯蓝田 一种晶体光纤基模色散特性的矢量 法分析 物理学报
Research advances of nonlinearity in the photonic crystal fiber
Abstract Key words
处达到
，不过这种光纤使用 着很大的不确定性，对光脉冲的初始波形也有要
的是
玻璃，采用了小纤芯，纤芯周围为 个 求。优点就是方法简便，容易实现光的耦合。
与芯基本相同的小空气孔，再外面才是包层空气 孔，理论分析可知采用这种结构的二氧化硅光纤的 非线性系数也将会是很大的数值。
图是
的实验装置图。调节输入光源
的两个激光器，使其频率接近，就可以产生拍频信
献中提到
测量法可用于多种类型的光纤，而
且具有较为准确和可重复性好的优点。然而，为了
保证精度和
的效率，对测试光纤的长度要求
很严格。
图 交叉相位调制测量非线性系数实验装置图
图 四波混频测量非线性系数实验装置图
一种 中非线性系数的测量
南安普顿大学提出了一种 的测试方法，与
中提到的双连续激光器
极为相似。由式
图是
的实验装置图，它由脉冲激光器