光子晶体光纤教学文稿

光子晶体光纤摘要光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构, 落在光子带隙中的光不能传播。

由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。

光子晶体光纤（POF）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。

光子晶体的制备是发展光子晶体的关键, 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。

本文阐述了光子晶体的概念及其特性并简要分析了PCF的原理及其重要特性应用价值。

关键词：光子晶体；光纤；光子晶体光纤（PCF）；非线性Photonic crystal fiberA bstract Photonic crystals are materials with regular periodicity of dielectric structures, which can create a range of forbidden frequencies called photonic bandgap. Photons with energies lying in the bandgap cannot propagate through the medium. Moreover, photonic crystals have the ability to m an ipulate, confine and control light, thus provide the opportunities to shape and mould the flow o f light for photonic communication technology and photonic computer. In present, the preparation of photonic crystals, especially those in visible or near infrared region, is the key to the development of photonic crystals. In this paper, the conception and characteristics of photonic crystal are described at first, and then the research in experiment and application are introduced respectively.Keyword：photonic crystal；optical fiber；photonic crystal fiber （PCF）; nonlinerital光学晶体的基本原理：1、什么是光学晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。

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。

光子晶体一、发展背景及历史1.1 微电子的危机今天，人类进入了信息时代，电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业，从日常生活的电视，电话等家庭用品到工作中的电子计算机，传感器以及各种电子测试设备，无处不渗透着半导体技术的影响，可以说半导体技术正日益成为我们工作和生活中不可缺少的组成部分。

微电子技术是电子信息产业的核心技术之一（另一个是软件技术），是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。

现在电子信息技术，尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力。

来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世，都会驱动各个信息技术向前跃进。

我们今天处在一个真正的技术革命时代，而微电子技术的突飞猛进是这个革命最基础的组成部分。

微电子技术所遵循的摩尔定律指出：芯片集成度每18-24个月增长一倍，价格不变。

目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。

12英寸硅片0.13微米应经批量生产。

当前，半导体技术正向着高速度，高集成化方向发展。

据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片0.035微米线宽。

当集成电路线宽达到0.1微米以下时，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。

硅基芯片的微细加工技术将可能达到极限。

届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都将遇到极大的挑战：（1）首先是芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加从而使芯片无法正常工作；（2）其次是现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，因而通过减小线宽的方法来提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困难；（3）最后也是最难克服的一点，随着芯片内部结构的减小，其量子效应会非常明显，电子在芯片内部的波动效应就不可以忽略，而电子的波动所造成的量子隧穿效应直接威胁着用“1”和“0”表示“开”和“关”状态的芯片最基本的结构。

导致这一结果的原因在于半导体器件的工作载体是电子，由于电子是一种费米子，具有静止质量，同时，电子之间具有库仑相互作用，当集成度很高时，产生热效应，相互干扰，这即是“电子瓶颈”效应产生的原因。

光子晶体光纤110611106 周鹏摘要：本文主要介绍光子晶体光纤的分类及其导光机理，光子晶体光纤的材料和制作工艺，重点阐述了光子晶体光纤的特性和应用，并对它的前景进行展望。

关键词：光子晶体光纤导光机理制作工艺特性应用Abstract：This article describes the classification and light guiding mechanism materials and production processes of photonic crystal fibers, focusing on the features and applications of photonic crystal fibers and looking ahead its prospects.Key words: photonic crystal fiber producting process light guide mechanism feature application前言光子晶体光纤，简称PCF，具有光子晶体和光纤传输光波的双重特性，相对传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输原理和传输特性，成为一类新型的光导纤维，开辟了一个新的应用领域，光子晶体光纤应经成为当今光纤领域的研究前沿和热点。

一．光子晶体光纤的分类及其导光机理光子晶体光纤的分类有很多种方法，根据导光机理，可将光子晶体光纤分为两类：折射率导光和光子带隙导光。

1.折射率导光型光子晶体光纤折射率导光型光子晶体光纤和普通光纤的结构相似，纤芯均为实心的石英。

差别是光纤的包层；普通光纤的包层是实心材料，其折射率稍低于纤芯；而折射率导光型的包层则是具有一定周期排列的多孔结构，如图1所示。

这类光纤包层的空气孔也可不是周期性排列，这类光纤也称多孔光纤。

这种结构的导光机理和常规的阶跃折射率光纤类似，即基于全反射原理，由于包层中的空气孔，降低了包层的有效折射率，使得纤芯折射率大于包层折射率，从而满足全反射条件，光波被束缚在芯区内传输。

光子晶体光纤特性及应用【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。

【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙1 概述光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。

频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。

这就是光子晶体概念的来源。

光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。

如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。

缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。

光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。

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。

2 光子晶体光纤的结构根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。

2.1全反射型光子晶体光纤的结构。

全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。

2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。

这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。

如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。

收稿日期:2003-02-02. 前沿技术光子晶体技术———(一)光子晶体光纤廖先炳(重庆光电技术研究所,重庆400060)摘　要:　简介光子晶体的概念和光子晶体光纤的导光原理。

讨论了光子晶体光纤的奇异特性并介绍它的制作方法。

关键词:　电子禁带晶体;光子禁带晶体;光子晶体光纤中图分类号:TN252　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2003)02-0135-041　引言大家熟知的微电子学及其应用,是建立在对电流精确控制的基础上,而这种控制是依赖于半导体材料(例如硅和Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体)的电子禁带现象。

电子禁带是一个能量带,它能有效地阻止电子通过半导体。

凡是处于电子禁带以下的电子都不能游动,因而不能形成电流。

然而,一旦少量的多余电子获得足够的能量而跃到电子禁带之上,这些电子便可在广阔的能量空间遨游。

同样地,电子的缺失可以在禁带以下形成带正电的“空穴”。

电子和空穴的运动都可即刻形成电流。

我们把具有这样现象的半导体材料称之为电子禁带晶体。

半导体的开关和逻辑功能就是来源于电子禁带以上的电子和禁带以下的电子和空穴增益性的控制。

电子禁带晶体的周期性结构的尺度为电子的德布罗意波长的量级(约1～50nm )。

而电子禁带的存在和性质主要取决于禁带晶体的原子类型和晶体结构,即晶格的间距和形状。

人们经过数十年的研究和探索,终于在1987年提出了光子禁带(或称光子带隙)的概念[1]。

光子禁带是直接类比于电子禁带的结果,它是指通过人工设计并制作出类比于电子禁带结构的材料来阻止光子的传播,即是说,这种类比于电子禁带结构的人工合成材料在某一能量范围内的光子不能通过光子禁带晶体(简称光子晶体)或者在光子晶体内部产生的光不能传播。

具体地说,光子晶体就是通过人工制造方法,使其制作的晶体材料具有类似于半导体硅和其它半导体中相邻原子所具备的周期性结构,只不过光子晶体的周期性结构的尺度远比电子禁带晶体的大,其大小为波长的量级。

光子晶体光纤的简介及其应用【摘要】光子晶体光纤(PCF)具有很多在传统光纤中无法实现的特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，并在近年内取得了重大的进展。

本文阐述了PCF的导光原理、分类及其在光纤通信中的应用。

【关键词】光子晶体;光子晶体光纤；光纤通信0.引言自P.S.J.Russell等于1991年首次提出光子晶体光纤概念后，引起了各国研究机构的浓厚兴趣，揭开了光纤发展的崭新的一页。

光子晶体光纤（photonic crystal fiber,PCF）是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。

它是在普通石英光纤中沿轴向方向周期性排列空气孔，端面呈二维周期性的光子晶体结构，由于光子晶体具有光子带隙频带，如果在光子晶体中引入缺陷，则在禁带中引入缺陷模式，使光能够在缺陷内传播。

因此，与普通单模光纤不同，PCF又称为多孔光纤(holey fiber,HF)或微结构光纤(microstructure fiber,MSF)。

1996年，P.S.J.Russell 和J.C.Knight等首次在实验室成功制备了第一根光子晶体光纤。

1.光子晶体光纤的导光原理相对传统光纤而言，光子晶体光纤具有完全不同的光波传播原理。

它利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段[1],可将光通信波段从1.3~1.6um扩展到整个可见光波段，这对光纤通信领域而言无疑是一种莫大幸事。

另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光，这在光频率测量、极短脉冲的产生、抽运探测光谱学等领域的研究中有着极其重要的作用。

此外，可制备光子晶体光纤激光器、干涉仪、带通滤波器等新型器件。

还可通过向微结构空芯光纤中填充介质，实现可变的光谱衰减器、光开关和高精度传感器等，极大地扩展了光通信波段，进行快速的波长变换和光放大，从而解决光通信和光网络问题等。

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。

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 多极法的理论和方程 28-35 2.3.1 多极法的概况 28-29 2.3.2 多极法公式 29-31 2.3.3 边界条件和场的耦合 31-33 2.3.4 Rayleigh 恒等式的引出及数字处理 33-35 2.4 多极法对称性的考虑 35-36 2.5 本章小结 36-37 第3章光子晶体光纤色散和非线性特性分析 37-50 3.1 引言 37-38 3.2 光子晶体光纤的色散特性 38-41 3.2.1 光纤色散的分类 38-39 3.2.2 光子晶体光纤色散定义 39-40 3.2.3 光子晶体光纤色散特性的调节 40-41 3.3 光子晶体光纤的有效模场面积 41 3.4 光子晶体光纤的非线性效应 41-45 3.4.1 光纤中的非线性光学效应 41-44 3.4.2 非线性效应对光通信系统的影响44 3.4.3 改变光纤非线性的方法 44-45 3.5 光子晶体光纤特性随d/ Λ的变化关系 45-48 3.5.1 光子晶体光纤的色散特性随d/ Λ的变化关系 46 3.5.2 光子晶体光纤的有效模场面积随d/ Λ的变化关系 46-48 3.5.3 光子晶体光纤的非线性系数随d/ Λ的变化关系 48 3.6 本章小结 48-50 第4章高双折射光子晶体光纤特性研究 50-58 4.1 引言 50 4.2 基本原理 50-51 4.3 高双折射光子晶体光纤的设计与计算 51-57 4.3.1 模式双折射 52-55 4.3.2 色散损耗分析 55-57 4.4 本章小结 57-58 第5章光子晶体光纤的应用 58-63 5.1 引言 58 5.2 光子晶体光纤激光器 58-61 5.2.1 纯硅光子晶体光纤激光器 58-59 5.2.2 微结构光纤实现大模式面积光纤激光器 59-60 5.2.3 包层泵浦Yb 掺杂光子晶体光纤激光器 60-61 5.3 光子晶体光纤在其他方面的应用 61-62 5.3.1 光子晶体光纤光栅 61 5.3.2 光纤传感61 5.3.3 能量传输 61-62 5.3.4 超连续谱的产生 62 5.4 展望 62-63 结论 63-64 参考文献 64-69 致谢 69-70 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 多极法的理论和方程28-35 2.3.1 多极法的概况 28-29 2.3.2 多极法公式 29-31 2.3.3 边界条件和场的耦合 31-33 2.3.4 Rayleigh 恒等式的引出及数字处理 33-35 2.4 多极法对称性的考虑 35-36 2.5 本章小结 36-37 第3章光子晶体光纤色散和非线性特性分析 37-50 3.1 引言 37-38 3.2 光子晶体光纤的色散特性 38-41 3.2.1 光纤色散的分类 38-39 3.2.2 光子晶体光纤色散定义 39-40 3.2.3 光子晶体光纤色散特性的调节 40-41 3.3 光子晶体光纤的有效模场面积 41 3.4 光子晶体光纤的非线性效应 41-45 3.4.1 光纤中的非线性光学效应 41-44 3.4.2 非线性效应对光通信系统的影响44 3.4.3 改变光纤非线性的方法 44-45 3.5 光子晶体光纤特性随d/ Λ的变化关系 45-48 3.5.1 光子晶体光纤的色散特性随d/ Λ的变化关系 46 3.5.2 光子晶体光纤的有效模场面积随d/ Λ的变化关系 46-48 3.5.3 光子晶体光纤的非线性系数随d/ Λ的变化关系 48 3.6 本章小结 48-50 第4章高双折射光子晶体光纤特性研究 50-58 4.1 引言 50 4.2 基本原理 50-51 4.3 高双折射光子晶体光纤的设计与计算 51-57 4.3.1 模式双折射 52-55 4.3.2 色散损耗分析 55-57 4.4 本章小结 57-58 第5章光子晶体光纤的应用 58-63 5.1 引言 58 5.2 光子晶体光纤激光器 58-61 5.2.1 纯硅光子晶体光纤激光器 58-59 5.2.2 微结构光纤实现大模式面积光纤激光器 59-60 5.2.3 包层泵浦Yb 掺杂光子晶体光纤激光器 60-61 5.3 光子晶体光纤在其他方面的应用 61-62 5.3.1 光子晶体光纤光栅 61 5.3.2 光纤传感61 5.3.3 能量传输 61-62 5.3.4 超连续谱的产生 62 5.4 展望 62-63 结论 63-64 参考文献 64-69 致谢 69-70 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 多极法的理论和方程28-35 2.3.1 多极法的概况 28-29 2.3.2 多极法公式 29-31 2.3.3 边界条件和场的耦合 31-33 2.3.4 Rayleigh 恒等式的引出及数字处理 33-35 2.4 多极法对称性的考虑 35-36 2.5 本章小结 36-37 第3章光子晶体光纤色散和非线性特性分析 37-50 3.1 引言 37-38 3.2 光子晶体光纤的色散特性 38-41 3.2.1 光纤色散的分类 38-39 3.2.2 光子晶体光纤色散定义 39-40 3.2.3 光子晶体光纤色散特性的调节 40-41 3.3 光子晶体光纤的有效模场面积 41 3.4 光子晶体光纤的非线性效应 41-45 3.4.1 光纤中的非线性光学效应 41-44 3.4.2 非线性效应对光通信系统的影响44 3.4.3 改变光纤非线性的方法 44-45 3.5 光子晶体光纤特性随d/ Λ的变化关系 45-48 3.5.1 光子晶体光纤的色散特性随d/ Λ的变化关系 46 3.5.2 光子晶体光纤的有效模场面积随d/ Λ的变化关系 46-48 3.5.3 光子晶体光纤的非线性系数随d/ Λ的变化关系 48 3.6 本章小结 48-50 第4章高双折射光子晶体光纤特性研究 50-58 4.1 引言 50 4.2 基本原理 50-51 4.3 高双折射光子晶体光纤的设计与计算 51-57 4.3.1 模式双折射 52-55 4.3.2 色散损耗分析 55-57 4.4 本章小结 57-58 第5章光子晶体光纤的应用 58-63 5.1 引言 58 5.2 光子晶体光纤激光器 58-61 5.2.1 纯硅光子晶体光纤激光器 58-59 5.2.2 微结构光纤实现大模式面积光纤激光器 59-60 5.2.3 包层泵浦Yb 掺杂光子晶体光纤激光器 60-61 5.3 光子晶体光纤在其他方面的应用 61-62 5.3.1 光子晶体光纤光栅 61 5.3.2 光纤传感61 5.3.3 能量传输 61-62 5.3.4 超连续谱的产生 62 5.4 展望 62-63 结论 63-64 参考文献 64-69 致谢 69-70。

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。

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。