光子晶体光纤非线性特性的研究
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。
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体在固体物理学的研究领域中，晶体的非线性光学与光子晶体是一个重要的研究课题。
本文将介绍晶体的非线性光学现象，并探讨光子晶体在光学中的应用。
一、晶体的非线性光学现象晶体是一种高度有序排列的原子、离子或分子的固体，拥有特殊的光学性质。
在晶体中，当光与晶体相互作用时，会产生非一致于线性光学性质的响应，这就是非线性光学现象。
1. 非线性光学效应非线性光学效应包括：- 非线性折射：当入射光强很强时，光线会发生折射角的变化；- 非线性吸收：当入射光强很强时，晶体会吸收部分光能；- 非线性色散：入射光的频率对折射率的变化不是线性关系；- 非线性光学压电效应：晶体中的离子在光场的作用下发生无规则的振动。
2. 非线性极化在非线性光学中，晶体的非线性极化效应是其中的重要机制之一。
根据光与晶格相互作用的形式，可以分为等离子体极化、电子极化和离子极化。
其中，等离子体极化主要在高频区起作用，电子极化和离子极化主要在低频区起作用。
3. 二次谐波发生器晶体的非线性光学现象常用于二次谐波发生器中。
二次谐波发生器利用非线性折射效应，将入射的单频光线转换为频率为二倍的谐波光线。
这一特性可以用于光学通信、激光器频率加倍和超快光学测量等领域。
二、光子晶体的应用光子晶体是一种周期性的介质结构，具有光禁带和光子带隙效应。
它可以控制光波的传播和操控，因此在光学中具有广泛的应用潜力。
1. 光子晶体的基本结构光子晶体的基本结构是由周期性排列的介质单元组成。
介质单元的尺寸和组成决定了光子晶体的光学性质。
光子晶体可以用于制造光学滤波器、反射镜和光波导等光学元件。
2. 光子晶体的光子带隙光子带隙是光子晶体的特殊性质之一，它可以阻止特定频率范围内的光波传播。
这种特性使光子晶体在光学通信、光学传感和光学计算等领域有着广泛的应用前景。
3. 光子晶体的光子引导由于光子晶体的周期性结构，它可以用作光子波导，实现光波的引导和控制。
非线性光学与光子晶体
非线性光学与光子晶体在当今科技发展的浪潮下，光子学作为一门前沿交叉学科正逐渐崭露头角。
而非线性光学和光子晶体作为光子学领域中的两个重要分支，对于光的生成、调控和传播起着至关重要的作用。
本文将对非线性光学和光子晶体的概念、特性及其在科学研究和技术应用方面的重要性进行阐述。
一、非线性光学1、概念非线性光学是指当光通过物质时，光场与物质相互作用而产生非线性效应的现象和理论。
与线性光学不同，非线性光学在高光强条件下可以产生一系列特殊的光学现象，如自聚焦、自相位调制和光学谐波生成等。
2、特性非线性光学的特性主要表现为以下几个方面：（1）二次非线性效应：二次非线性效应是指光在物质中传播时，所产生的频率为光源频率n倍的谐波信号。
这种效应可以应用于频率加倍、波长转换等领域。
（2）三次非线性效应：三次非线性效应是指光在物质中传播时，产生高次谐波以及光频移等现象。
这种效应可以应用于光纤通信、光学存储和光学信息处理等领域。
（3）自相互作用：非线性光学中的光波可以与自身相互作用，改变光的空间结构和频率特性。
这种特性可以用于光信息处理和超快光学研究中。
二、光子晶体1、概念光子晶体是一种具有周期性的介质结构，其中空间排列周期性排列的介质具有不同的折射率。
光子晶体在光学中类似于电子晶体在电子学中的地位，可以在光子带隙范围内控制光的传播。
2、特性光子晶体的特性主要包括：（1）禁带效应：光子晶体中存在着光子带隙，只有特定频率的光子能够在这个范围内传播。
这种效应可以应用于光学滤波器、光波导和激光器等。
（2）色散特性：光子晶体对不同频率的光有不同的折射率，这种色散特性可以用于光学色彩分离和光学调制等。
（3）多模光导：光子晶体中存在多个传播方式，可以同时传输多种频率的光信号。
这种特性对频率分割复用和量子信息处理具有重要意义。
三、非线性光学与光子晶体的应用非线性光学和光子晶体在科学研究和技术应用方面有着广泛的应用前景。
1、科学研究非线性光学和光子晶体在科学研究中具有重要作用，例如：（1）超快光学研究：非线性光学可以实现超快光学信号调制和超快光谱测量，有助于研究光与物质相互作用的动力学过程。
光子晶体理论分析方法及非线性特性研究的开题报告
光子晶体理论分析方法及非线性特性研究的开题报告一、选题背景随着光学技术的不断发展，人们对光学材料的研究也越来越深入。
其中，光子晶体作为一种具有周期性结构的光学材料，在传感、光波导、激光等领域具有广泛应用的前景。
光子晶体的实现需要对其理论模型进行分析和仿真，非线性特性的研究更是光子晶体领域中的研究热点。
因此，本文选取“光子晶体理论分析方法及非线性特性研究”为研究对象，旨在探究光子晶体的理论基础及其在实际应用中所表现出的非线性特性。
二、研究内容1. 光子晶体的理论基础介绍光子晶体的基本概念、结构特点和制备方法；介绍Maxwell方程和频率域有限元法，讨论光子晶体的数值模拟方法。
2. 光子晶体的性质及表现探讨光子晶体的波导、光学谐振腔、光学超材料等性质及其在光通信等领域中的应用；通过理论分析和数值模拟计算，确定光子晶体中的能带结构、局域模和谐振腔的增益和耦合强度等关键参数。
3. 光子晶体非线性特性的研究探究光子晶体在光学非线性应用中的表现，例如光学修饰、光学调制、光学限幅、光学调制等，进而研究影响光子晶体非线性效应的因素，如光子晶体的周期、缺陷、非均匀性等。
三、研究意义1. 提高光子晶体应用性能通过对光子晶体的理论基础及其性质进行深入探究，提高光子晶体在通信、传感、光学计算等领域的应用性能。
2. 拓展光子晶体领域研究通过研究光子晶体的非线性特性，可以拓展光子晶体领域的研究方向，为光学学科的深入发展提供一定的参考。
四、研究方法本文主要采用文献资料法、数值模拟法以及实验验证法进行研究。
1. 文献资料法通过查询相关文献，了解光子晶体的研究进展和最新成果，为研究提供基础资料。
2. 数值模拟法选取光子晶体的几何形状、材料参数等为输入参数，利用有限元软件进行计算和仿真，获得光子晶体的光学特性参数。
3. 实验验证法设计实验方案，制备光子晶体样品，利用激光光谱仪等仪器进行实验验证，验证光子晶体在理论上的预测。
五、预期成果1. 理论研究系统梳理光子晶体的理论基础及其性质，在此基础上，提出光子晶体非线性特性的几个关键点，为后续的实验验证提供指导意义。
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。
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34 卷 ( 2005 年) 1 期
布拉格散射而产生能带结构, 在带与带之间可能存 在着带隙. 如果电子波的能量落在带隙中, 则不能 传播. 能带及带隙结构控制着电子或空穴的运动. 光 子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二 维或三维空间内组成具有光波长量级的周期结构, 使得在 其 中 传播 的 光 子 形 成 光 子 带 隙 ( photonic bandgap) , 频率落于此带隙中的光子将被禁止在光 子晶体中传播. 如果任何偏振的光都不能在带隙中 传播, 那么此带隙就称为完全光子带隙. 当在光子晶 体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时, 光子带
特别需要指出的是, 研究发现折射率引导型光 子晶体光纤包层中空气孔的周期排列不是必要的, 随机排列足够多的空气孔也能够有效降低包层的折 射率, 实现改进的全内反射[ 30] . 因此, 这种光纤已经 不同于早期提出的空气孔周期排 列的光子晶体 光 纤, 为了突出包层中排列有波长量级的空气孔的这 一特征, 折射率引导型光子晶体光纤也被称为多孔 光 纤 ( holey f iber ) 或 微 结 构 光 纤 ( microstructured opt ical f iber) .
1 引言
光子晶体光纤[ 1] ( photonic cryst al fiber, P CF ) 是 近年来出现的一种通常由单一介质构成( 常用熔融 硅或聚合物) 、并由在二维方向上紧密排列( 常为周 期性六角形) 而在第三维方向( 光纤的轴向) 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.
包层的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[ 10] 低于纤芯的折射 率, 因而能够满足全内反射原理[ 图 2( c) ] . 这种新 的机理被称为改进的全内反射( modified t otal internal reflection) [ 2] , 相应的光纤 也被称为折射率引导 型光子晶体光纤( index- guiding PCF ) 或全内反射光 子晶体光纤( T IR- PCF ) . 与空芯波导不存在全内反 射[ 图 2 ( a) ] 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 2 ( b) ] , 这种光纤也称为光子带隙光纤 ( photonic bandg ap fiber) . 为了实现真正的光子带隙 效应, Broeng 等理论研究[ 12] 发现, 采用图 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[ 13] , 而且因为带隙的存在, 当用白光入射时出 射的模式呈现彩色[ 图 1( f ) ] . 蜂巢结构的光子晶体 光纤的光场并不分布在纤芯中的空气孔缺陷中, 而 是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 7 根毛细管来形成纤芯, 实 现了真正的在空气芯中传输的光子带隙光纤[ 图 1 ( g) ] [ 14] , 图 1( h) 是在白光入射时的光纤模式.
物理
前沿进展
中. 天津大学与燕山大学[ 15) 18] 和清华大学与北 京 玻璃研究院[ 19] 拉制的光纤及其特性的研究已见报 道.
光子晶体光纤通常由单一材料构成及包层中的 空气孔微结构已经超出了传统光纤光学[ 20, 21] 的范 畴, 同时也具有不同于甚至优于传统光纤的特性, 为 克服传统光纤发展中的一些技术障碍提供了可能的 解决途径. 这些特性主要包括[ 2) 4] : 宽带单模[ 10] 、可 见光波段具有反常色散[ 22] 、可控的模式面积[ 23] 、高 双折射[ 24] [ 如图 1( c) ] 、容易拉制多芯结构[ 25] 等. 目 前, 光子晶体光纤的研究内容非常丰富, 主要包括对 光子晶体光纤本身模式特征的进一步研究和认识; 光子晶体光纤各种材料和晶格结构[ 如图 1( f) 的 Kagom晶格] 的研究; 光子晶体光纤器件方面的研 究; 光子晶体光纤作为传输介质的线性和非线性效 应的研究等. 光子晶体光纤一些新颖的应用研究包 括在空芯光子晶体光纤中利用激光束悬浮和操纵微 粒[ 26] , 在光子晶体光纤包层空气孔中填入聚合物、 液晶或液体等构成的可调器件[ 27, 28] , 利用两根光子 带隙光纤构成光学二极管[ 29] 等.
光子晶体光纤通常采用的制作工艺是所谓的堆 拉法( stack- and- draw ) [ 1] . 首先按照设计结构制作预 制棒. 将石英管外壁磨成六角形状, 抛光后按照预先 设计尺寸要求拉丝, 然后规则排列毛细管, 同时中心 用 SiO2 棒或者抽去一根或几根毛细管来形成纤芯. 然后将预制棒采用一步或两步拉制成光纤, 并涂覆 保护层.
图 2 光传输的几种机理[ 11]
图 1 不同结构的光子晶体光纤[ 2]
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[ 1] . 传统光纤通过掺杂使得纤芯折射率高于
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英国 Bat h 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 Crysta-l f ibre 公司已有产 品上市. 在最近三四年间, 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, 新的研究 成果不断涌现, 光子晶体光纤的 内容更加丰富. 同 时, 国内有很多单位也加入到光子晶体光纤的研究
前沿进展
光子晶体光纤非线性特性的研究*
王清月 栗岩锋 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 光子晶体光纤是近年来出现的一种通常由单一介质构成, 并由波长量级的空气 孔构成微结 构包层的 新 型光纤. 文章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 晶体光纤非线性特性方面的 研究, 特别是在超连续光 谱的产生、光 孤子效应 以及频 率变换 等方面 的实验 和理论 成 果以及潜 在的应用. 关键词 光子晶体光纤, 微结构光纤, 多孔光纤, 非线性, 超短脉冲
光子晶体光纤的概念源自于光子晶体( phot onic crystal) , 目前研究上已经取得了很多进展[ 2) 4] . 光 子晶体 的概 念最 早由 Yablonovit ch[ 5] 和 John[ 6] 于 1987 年分别提出. 光子晶体与半导体领域的晶体性 质类似[ 7] . 晶体 中原 子的有 序排 列形 成了 周期 势 场, 当电子在周期势场中传播时, 由于受到势场的
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前沿进展
隙就形成了具有一定频宽的缺陷态或局域态, 而具 有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传播, 因 此光子晶体就可以控制光在其中的传播行为. 同样, 倒格子、布里渊区、布洛赫原理等同样能够引入光子 晶体理论中.
光子晶体自提出以来, 就成为国际上研究的热 点, 并取得了许多研究成果, 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[ 7] , 对制 备工艺提出了严格要求. 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 ( inplane) 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[ 8] . 英国 Bath 大学的 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- o-f plane) 上有一传播常数 B时, 如果 B足够大, 采用空气孔嵌在熔石英( SiO2) 的六角形晶格就能够 产生完全的光子带隙[ 9] . 据此, 他们在 1996 年报道 了第一根光子晶体光纤[ 1] , 光纤的结构和模式花样 分别如图 1( a) 、( b) 所示.
通过 减小 光子 晶体 光纤 的 模式 面 积 [ 如图 1 ( d) ] , 可以极大地增强光纤中的非线性效应[ 23] , 同 时熔石英和空气极大的折射率差增强了波导色散的 作用, 因而使 得光子 晶体光 纤零 色散 点可 以移 到
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113Lm 以下[ 22] , 这是传统光纤不能实现的. 如果光 子晶体光纤的零色散点移到常用的掺钛蓝宝石( T i: sapphire) 飞秒激光器的工作波长 800 nm 附近, 那么 飞秒激光器产生的超短脉冲在很短的光子晶体光纤 中传输时能够保持极高的峰值功率, 产生丰富的非 线性效应. 本文侧重介绍以超连续光谱的产生、光孤 子效应以及频率变换为代表的光子晶体光纤非线性 特性方面的研究进展以及这些非线性效应的潜在应 用.
Nonlinear properties of photonic crystal fibers
WANG Ching-Yue L I Yan- Feng HU M ing-Lie CHAI Lu
( Ultraf ast L aser L aboratory , College of P recision I nstrument and Optoelectronics Eng ineering , T ianjin Univ ersity , K ey L aboratory of Op to-electronics Information and T ech nical S cience ( T ianj in University ) M inistry of Education, Tianj in 300072, China )