南開(kāi)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于材料填充的光子晶體光纖設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究姓名：杜江兵申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：光學(xué)指導(dǎo)教師：劉艷格;王志20080501摘要摘要隨著光子晶體光纖理論分析方法基本成熟，制造工藝日益完善，各種各樣的光子晶體光纖不斷出現(xiàn)，對(duì)光子晶體光纖的研究熱點(diǎn)正逐步向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。在通信領(lǐng)域，盡管由于損耗、價(jià)格等原因，在長(zhǎng)距離傳輸方面，光子晶體光纖尚不能取代普通光纖，但光子晶體光纖以其獨(dú)特的傳導(dǎo)機(jī)制和普通光纖無(wú)法比擬的性質(zhì)成為下一代光通信器件的重要組成部分。本論文的選題來(lái)源于國(guó)家９７３項(xiàng)目“基于微結(jié)構(gòu)光纖的光電子功能器件的創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究（２００３ＣＢ３１４９０６）’’、天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型多功能集成光子晶體光纖Ｒａｍａｎ放大器（０６ＹＦＪＺＪＣ００３００）’’、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新型量子點(diǎn)注入光子晶體光纖激光器研究（１０６７４０７４）”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“全固光子帶隙光纖及全固光子帶隙光纖光柵研究（１０７７４０７７）”的內(nèi)容，在對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖各種傳輸特性研究和各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了基于材料填充光子晶體光纖的研究，包括相關(guān)光纖特性的理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，相關(guān)光子晶體光纖及器件的設(shè)計(jì)、研究和應(yīng)用：１．研究了光子晶體光纖的各種填充技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了兩種選擇性填充方案，利用石蠟的毛細(xì)填充和氫氟酸的側(cè)向腐蝕實(shí)現(xiàn)了靈活方便的選擇性填充，然后，結(jié)合氫氟酸的填充性腐蝕，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子晶體光纖導(dǎo)光特性的改善和控制；２．研究了溫敏聚合物材料填充的光子帶隙光纖帶隙導(dǎo)光特性以及溫度調(diào)諧特性。我們首先在兩種石英纖芯的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中填充高折射率的溫敏聚合物材料，得到了光子帶隙引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)研究了光纖的彎曲損耗特性，發(fā)現(xiàn)這種光纖的彎曲損耗相當(dāng)小，比全固光子帶隙光纖小很多。然后，利用材料的溫度調(diào)諧能力，我們實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)光帶隙的靈活調(diào)諧，調(diào)諧范圍超過(guò)２００ｈｍ。同時(shí)，采用分段溫控的辦法，我們還實(shí)現(xiàn)了帶隙的可調(diào)諧壓窄，實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了將２００ｎｍ的導(dǎo)光帶隙壓窄到３０ｎｍ，我們還結(jié)合數(shù)值方法進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究，理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好。３．研究了液晶材料填充的光子帶隙光纖帶隙導(dǎo)光特性及相應(yīng)的調(diào)諧特性，包括溫度調(diào)諧和電場(chǎng)調(diào)諧。我們首先通過(guò)液晶填充得到了光子帶隙光纖，對(duì)其摘要溫度調(diào)諧的研究發(fā)現(xiàn)，在液晶材料清亮點(diǎn)溫度附近，該液晶光子帶隙光纖的導(dǎo)光特性的溫度響應(yīng)非常靈敏，達(dá)到５０ｎｍ／℃?；谶@種液晶光子帶隙光纖，我們研制了電場(chǎng)控制的電調(diào)諧Ｓａｇｎａｃ干涉儀，在１５５０ｎｍ波段實(shí)現(xiàn)了深度達(dá)到２７ｄＢ的干涉濾波輸出，通過(guò)加載電壓可控的電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)４０ｎｍ的調(diào)諧，調(diào)諧效率達(dá)到１．２８ｎｍ／Ｖ，該Ｓａｇｎａｃ干涉儀可以應(yīng)用于研制具有更快響應(yīng)能力的光纖濾波器、衰減器和光開(kāi)關(guān)等器件。４．提出了基于材料填充的雙芯光子帶隙光纖。利用折射率可以隨溫度改變的聚合物材料填充，得到了雙芯光子帶隙光纖，試驗(yàn)和理論的研究表明該種雙芯光子帶隙光纖具有優(yōu)異的調(diào)諧能力，包括對(duì)導(dǎo)光帶隙的溫度調(diào)諧以及對(duì)雙芯耦合的溫度調(diào)諧，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。在理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可調(diào)諧的全光纖波分復(fù)用／解復(fù)用器。５．提出了基于量子點(diǎn)材料填充的光子晶體光纖，進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。我們?cè)谶M(jìn)行量子點(diǎn)填充光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，利用平面波展開(kāi)方法和有限元方法對(duì)量子點(diǎn)沉積的光子帶隙光纖進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了這種填充對(duì)光纖導(dǎo)光性能的影響，并成功將量子點(diǎn)沉積到光子晶體光纖中。然后，我們用１３０ｍＷ的９８０ｎｍ激光器泵浦量子點(diǎn)填充的光子晶體光纖，試驗(yàn)觀(guān)測(cè)其發(fā)射光譜，初步得到了激光發(fā)射。關(guān)鍵詞：光子晶體光纖、光子帶隙光纖、聚合物、液晶、填充、有限元法、平面波展開(kāi)法、雙芯耦合、雙折射、Ｓａｇｎａｃ干涉儀、光纖耦合器、量子點(diǎn)、可調(diào)諧、光纖激光器、光纖放大器ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＡｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎｒｅａｌｉｚｅｄｒｅｇａｒｄｉｎｇｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒｓ（ＰＣＦ）．Ｉｎｐｒｅｓｅｎｔｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，ＰＣＦｓｓｔｉｌｌＣａｌｌ’ｔｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｌａｒｇｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｎｓｉｖｅｃｏｓｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｒｕｎｉｑｕｅｏｐｔｉｃａｌｇｕｉｄｉｎｇａｌｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｔｉｓａｇｒｅｅｄｔｈａｔＰＣＦｓｗｉｌｌｐｌａｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｎｅｘｔｏｐｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．１０６７４０７４ａｎｄ１０７７４０７７，ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ２００３ＣＢ３１４９０６，ａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．ＴｉａｎｊｉｎＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．０６ＹＦＪＺＪＣ００３００，ｔｈｅＰＣＦｓａｎｄＰＣＦａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＰＣＦｓｍａｊｏｒｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ｎｏｖｅｌＰＣＦｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｔｕｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｄｅｔａｉｌｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｆｏｌｌｏｗｓ：ｐｒｏｐｏｓｅｄｔｗｏｎｏｖｅｌ１．ＷｅａｃｃｅｓｓｅｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＰＣＦｓａａｎｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｅｌｅｃｔｉｖｅｆｉｌｌｉｎｇｉｎｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐａｆｉｂｅｒ（ＰＢＧＦ）．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｂｙｕｓｉｎｇａｌａｔｅｒａｌｅｒｏｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅＰＣＦｓ’ｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＴｈｅｅｒｏｓｉｏｎｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃａｃｉｄｔｏＰＢＧＦｓ’ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｎｇｅａｎｄｔｈｅｉｒｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．２．ＷｅｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰＢＧＦｗｈｉｃｈｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏｌｙｍｅｒ’Ｓｉｎｆｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅｈａｖｅｂｅｅｎｂａｎｄｇａｐｇｕｉｄｉｎｇａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎａｂｌｅｂａｎｄｇａｐｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌａｒｇｅａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｅｄｂａｎｄｇａｐｓｈｉｆｔｉｓａｓａ２００ｎｍ．Ｗｅａｌｓｏｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｂａｎｄｇａｐｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｏｎａｒｒｏｗｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｎｄｇａｐｆｒｏｍ２００ｈｍｔｏｏｎｌｙ３０ｈｍ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｗｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅＰＢＧＦ’ＳｂｅｎｄｉｎｇｌｏｓｓａｎｄｆｉｎｄｔｈａｔｔｈｅｐｏｌｙｍｅｒｉｎｆｕｓｅｄＰＢＧＦｈａｓｖｅｒｙｓｍａｌｌｂｅｎｄｉｎｇｌｏｓｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈａｌｌ?ｓｏｌｉｄＰＢＧＦｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｖｅｒｙｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔ．ａｎｄｔｈｅｅｘＰｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅ１１１Ａｂｓｔｒａｃｔ３．ＷｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｂａｎｄｇａｐｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｉｎｆｕｓｅｄＰＢＧＦａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｉｔｓｔｕｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＴｈｅｔｕｎｉｎｇｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｉｎｇｌｅａｒｎｔｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎｉｎｇｏｆｔｈｅＬＣ—ＰＢＧＦｉｓｖｅｒｙａｒｏｕｎｄＬＣ’Ｓｃｌｅａｒｉｎｇｐｏｉｎｔ．ＢａｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳａｇｎａｃｏｎｔｕｎｉｎｇ．Ｗｅｆａｓｔ（ａｂｏｕｔ５０ｎｍ／。Ｃ）ａｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｈｅＬＣ－ＰＢＧＦ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｆｉｒｓｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＳａｇｎａｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｌｅａｄｓｔｏａｒｏｕｎｄ１５５０ｎｍａｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅａｓｖｅｒｙｇｏｏｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｌａｒｇｅａｓ２７ｄＢｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｔｕｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓａｂｏｕｔ１．２８ｎｍ／Ｖ．ａ４．Ｗｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｃｏｒｅｄｕａｌ—ｃｏｒｅＰＢＧＦｂｙｉｎｆｕｓｉｎｇｈｉｇｈ－ｉｎｄｅｘｌｉｑｕｉｄｉｎｔｏａｄｕａｌ－ａｉｒ－ｓｉｌｉｃａＰＣＦ．Ｅｘｔｒｅｍａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｓｈａｖｅｂｅｅｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｂａｎｄｇａｐｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＴｈｅＷｈｅｎｗｅｒｉｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎａｂｌｅｃｏｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｕａｌ－ｃｏｒｅＰＢＧＦ’Ｓｇｕｉｄｉｎｇａｎｄｄｕａｌ?ａｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙＰＢＧＦｓ’ｂａｎｄｇａｐｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｉｓｄｕａｌ－ｃｏｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｃｈａｎｇｅｄ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｂｌｕｅ—ｓｈｉｆｔａｎｄｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｇｕｉｄｉｎｇｂａｎｄ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅｄｕａｌ—ｃｏｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｕｎａｂｌｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｆｕｓｉｏｎｌｉｑｕｉｄ’Ｓｉｎｄｅｘ．Ｗｅｆｉｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｉｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｌｅｎｇｔｈｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅａｂｌｕｅ－ｓｈｉｆｔｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｐｅａｋｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｗｉｔｈｓｐｅｅｄｏｆ１．９ｎｍ／。Ｃ，ｆｏｒａ２０ｍｍｄｕａｌ－ｃｏｒｅＰＢＧＦ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｄｕａｌ－ｃｏｒｅＰＢＧＦ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｕｎａｂｌｅｃｏｕｐｌｅｒｓａｎｄＭＵＸ／ＤＥＭＵＸｓｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｔｕｎｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｃｏｕｐｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍｅｎｃｅ．５．ＷｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎａＰＣＦｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ，ｗｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓｉｎｉｎｄｉｃａｔｅｓｓｔｒｏｎｇＰＢＧＦ，ｗｈｉｃｈｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｆｒｏｍｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｓ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｗｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｄｅｐｏｓｉｔｅｄｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓｉｎｔｏａＰＣＦｓ．ＴｈｅｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓＰＣＦｓ’ｅｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｏｕｔｐｕｔｈａｓｂｅｅｎ１３０ｒｏＷＬＤｌａｓｅｒｔｏｐｕｍｐａｔ９８０ｎｍｗａｖｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｌａｓｉｎｇｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｆｉｂｅｒ，Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｆｉｂｅｒ，Ｌｉｑｕｉｄｗａｖｅｃｒｙｓｔａｌ，Ｉｎｆｕｓｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，Ｐｌａｎｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，Ｄｕａｌ—ｃｏｒｅｃｏｕｐｌｉｎｇ，Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ，Ｓａｇｎａｃｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，Ｔｕｎａｂｌｅ，ＱｕａｎｔｕｍｄｏｔｓＩＶ南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本人完全了解南開(kāi)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。學(xué)位論文作者虢禾孓墨、洳是年ｊ月、／日經(jīng)指導(dǎo)教師同意，本學(xué)位論文屬于保密，在授權(quán)書(shū)。指導(dǎo)老師簽名：年解密后適用本學(xué)位論文作者簽名：年月日解密時(shí)間：各密級(jí)的最長(zhǎng)保密年限及書(shū)寫(xiě)格式規(guī)定如下：南開(kāi)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開(kāi)發(fā)表或者沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：抄髟年明和不江３第一章緒論第一章緒論光子晶體光纖（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ，ＰＣＦ）是上世紀(jì)末開(kāi)始興起的一門(mén)光纖介紹光子晶體光纖的～些基本特性和相關(guān)理論研究方法，并且將深入介紹目前在光子晶體光纖的材料填充方面，國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后介紹本論文研究工作的研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)。１．１光子晶體光纖１．１．１光子晶體光纖簡(jiǎn)介光子晶體光纖的概念是隨著光子晶體帶隙（ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄｇａｐ，ＰＢＧ）［１．５１理論的出現(xiàn)而提出的，而光子晶體概念的提出可以追溯到１９８７年，Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ和Ｓ．Ｊｏｈｎ【ｌ。６，卜７１分別提出介電常數(shù)周期分布的介質(zhì)材料能夠改變其間傳播的光的性質(zhì)。實(shí)際上，光子帶隙理論類(lèi)似于半導(dǎo)體材料中的電子禁帶理論，在半導(dǎo)體材料中，具有周期性電勢(shì)場(chǎng)的原子晶格結(jié)構(gòu)使電子形成能帶結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)帶．禁帶結(jié)構(gòu)；而在光子晶體中，在一維、二維或三維空間中的折射率周期性分布，能夠使得在其間傳播的光子也形成禁帶結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生光子帶隙，頻率位于帶隙中的光不能在光子晶體中傳播，光子晶體因此而得名。光子晶體光纖也被稱(chēng)為微結(jié)構(gòu)光纖（ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｕｔｒｅｄＦｉｂｒｅ，ＭＦ）或者多孔光纖（ＨｏｌｅｙＦｉｂｒｅ，ＨＦ）。作為一種二維光子晶體，光子晶體光纖表現(xiàn)出很多普通光纖所不具備的、獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)異特性，在光通信、光纖傳感、生物傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，引起了人們極大的關(guān)注。光子晶體光纖最早是在１９９２年由Ｒｕｓｓｅｌ等人首次提出。第一根光子晶體光纖誕生于１９９６年ｌｌｒ１．１。４】，在ＯＦＣ的會(huì)技術(shù)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，光子晶體光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多應(yīng)用，并且由于這類(lèi)光纖背后深刻的物理內(nèi)涵，近年來(lái)一直是光纖技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)Ｕ．１－１．４１。在本章中，我們將首先闡述光子晶體光纖的相關(guān)理論、研究和發(fā)展現(xiàn)狀，接著將第一章緒論議上，英國(guó)Ｂａｔｈ大學(xué)的Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ等人作了關(guān)于光子晶體光纖的報(bào)告，標(biāo)志著這種新型光纖的正式誕生，揭開(kāi)了光纖發(fā)展歷史新的一頁(yè)。光子晶體光纖通常由單一的石英材料構(gòu)成，在沿光纖長(zhǎng)度的方向上均勻排列著波長(zhǎng)量級(jí)的空氣孔從而構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層。從光纖端面看，存在二維周期性結(jié)構(gòu)。由于空氣孔的排列和大小有很大的控制余地，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)光纖的光傳輸特性。隨著對(duì)這類(lèi)特殊光纖研究的不斷深入，其結(jié)構(gòu)逐漸趨于多種多樣，傳導(dǎo)機(jī)制也不完全基于光子帶隙效應(yīng)。由于光子晶體光纖包層的結(jié)構(gòu)比較特殊，因而它可以具有傳統(tǒng)光纖所不具備的一些光學(xué)特性，如無(wú)截止單模、超高非線(xiàn)性效應(yīng)、可控的色散、高雙折射特性、極小的彎曲損耗、超大模場(chǎng)面積以及可以實(shí)現(xiàn)真空導(dǎo)光等。光子晶體光纖的性質(zhì)與光纖的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，例如空氣孔或者摻雜高折射率區(qū)域的大小、間距、空氣孔排布形狀或者摻雜分布、纖芯缺陷的類(lèi)型（空芯或者實(shí)芯）、大小和形狀等等。這些特殊的性質(zhì)使這些光纖的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，吸引了越來(lái)越多的研究人員的興趣Ｉｌ‘９乩¨】。最近幾年來(lái)，光子晶體光纖的制造技術(shù)、理論研究方法及其應(yīng)用都取得了突破性的進(jìn)展，到目前為止，光子晶體光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多應(yīng)用，典型的包括用高非線(xiàn)性光纖搭建超連續(xù)寬帶光源［Ｉ．１２－Ｉ．１５］，用高非線(xiàn)性光纖的四波混頻實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和再生［１．１６－１．１７］，用高雙折射光纖搭建緊湊的Ｓａｇｎａｃ干涉儀…８，１?１９】，大負(fù)色散的光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償１１。２０?１‘２３１，用空氣孔導(dǎo)光的光子帶隙光纖實(shí)現(xiàn)生物材料的拉曼光譜檢測(cè)和熒光檢測(cè)２４?１．２６］芻筆芻車(chē)【１。口‘口ｏ１．１．２光子晶體光纖的拉制工藝從１９９６年光子晶體光纖誕生至今的１２年間，光子晶體光纖經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種各種各樣的光子晶體光纖，而且還有許多理論設(shè)計(jì)的光子晶體光纖有待進(jìn)一步研究和拉制。光子晶體光纖的拉制是基于傳統(tǒng)光纖的拉制工藝的。目前，光子晶體光纖的拉制技術(shù)一般是沿用和發(fā)展Ｊ．Ｃ．Ｋｎｉｇｈｔ等人最早提出的用毛細(xì)管堆砌拉制方＂法（ｓｔａｃｋ．ａｎｄ．ｄｒａｗ）ｔ１?！?，如圖１．１所示。基本步驟如下：首先將預(yù)先熔融制成的預(yù)制棒研磨、鉆孔后做成玻璃管狀，把它在光纖塔內(nèi)拉伸成毛細(xì)管；然后根據(jù)設(shè)計(jì)的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，將這些毛細(xì)管按照一定的方式排列堆砌起來(lái)，比如２第一章緒論矩形排列、三角形或者六邊形排列、纖芯實(shí)芯排列或者纖芯空芯排列等：最后經(jīng)過(guò)一步或多步重復(fù)拉制形成所要的光子晶體光纖叫¨”Ｉ。圖１１毛細(xì)管堆砌拉制光子晶體光纖２００２年，ＲＴＢｉｓｅ等人又首次采用溶膠一凝膠鑄造（ｓｏ】一ｇｅｌｃａｓｔｉｎｇ）技術(shù)制造出光子晶體光纖””ｉ３２１：首先把在高ｐＨ值環(huán)境中被分解到粒子尺寸大約有４０ｒｉｍ的膠狀硅填入帶有一系列心軸的模具中：隨后降低口Ｈ值使溶膠（ｓ０１）變成凝膠（ｇｅｌ）：在凝膠還濕時(shí)移去心軸，在凝膠體中留下一系列空氣柱：然后用熱化學(xué)方法移去凝膠體中的水、有機(jī)物和金屬污染物；最后，干燥后的多孔凝膠體在接近１６０００Ｃ的高溫中熔結(jié)成膠狀玻璃并最終被拉成光纖。為了得到理想的尺寸和空氣填充率，在拉制的時(shí)候空氣孔要加壓。作為一種鑄造方法．溶膠一凝膠技術(shù)可以制造出模具中組合出的任何結(jié)構(gòu)，光纖的孔洞形狀、大小、間距可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)。相比之下，堆砌拉制方法的柵格結(jié)構(gòu)一般限制在三角形和蜂窩形。除了上述所提到的兩種方法，還有預(yù)制棒鉆孔””Ｊ、對(duì)軟玻璃材料擠壓形成預(yù)制棒技術(shù)【ｌ”１等。特別提到的一點(diǎn)，盡管空芯的光予帶隙型光纖已在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)且結(jié)果令人鼓舞，但在目前的工藝水平下，這種光纖的制各難度比較大。相比之下，折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖對(duì)結(jié)構(gòu)的不完善性有著更強(qiáng)的承受力，甚至可以對(duì)周期性沒(méi)有任何要求。因此這種光纖制備難度相對(duì)較小，它也是近年來(lái)發(fā)展最迅速、實(shí)際應(yīng)用也晟多的光子晶體光纖。第一章緒論１．１．３光子晶體光纖的基本特性從光纖傳導(dǎo)機(jī)制來(lái)給光子晶體光纖分類(lèi)的話(huà)，光子晶體光纖主要分為兩類(lèi)，即折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖（全內(nèi)反射型：ＴＩＲ．ＰＣＦ）年Ｉ］帶隙引導(dǎo)型光子晶體光纖（帶隙型：ＰＢＧ）。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的導(dǎo)光機(jī)制和傳統(tǒng)光纖一樣，由于纖芯和包層之間的折射率差（纖芯高于包層），通過(guò)全內(nèi)反射把光限制在纖芯區(qū)域，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)。這類(lèi)光纖的包層由于引入空氣孔，所以有效折射率低于纖芯折射率，并且這類(lèi)光纖都是有空氣孔結(jié)構(gòu)的（ｓｉｌｉｃａ．ａｉｒ）。帶隙型光子晶體光纖一般也被稱(chēng)為光子帶隙光纖（ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐｆｉｂｅｒ：ＰＢＧＦ），這類(lèi)光纖通過(guò)光子帶隙效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光【１．９，１?１０１。首先光子帶隙光纖的包層要具有帶隙結(jié)構(gòu)，使得某些波長(zhǎng)的光不能通過(guò)包層泄漏出去，同時(shí)纖芯是一個(gè)缺陷結(jié)構(gòu)，從而把帶隙內(nèi)的光限制在纖芯缺陷中傳播。這類(lèi)光纖的傳輸譜一般表現(xiàn)出帶通的特點(diǎn)。另外，光子帶隙光纖的包層帶隙結(jié)構(gòu)又可以分為兩種：空氣．石英結(jié)構(gòu)和石英．摻雜高折射率結(jié)構(gòu)。一般的空氣孔結(jié)構(gòu)往往也要求對(duì)應(yīng)空氣孔的纖芯缺陷，所以這類(lèi)光纖可以實(shí)現(xiàn)纖芯的真空導(dǎo)光或者空氣導(dǎo)光。但是包層為高折射率摻雜的帶隙結(jié)構(gòu)則對(duì)應(yīng)的是石英的纖芯，也是實(shí)芯導(dǎo)光。在這一部分內(nèi)容中，我們通過(guò)介紹各種各樣的光子晶體光纖，來(lái)初步了解一下光子晶體光纖的基本導(dǎo)光性質(zhì)。１．無(wú)截止單模光子晶體光纖傳統(tǒng)光纖的單模傳輸是由光纖的歸一化頻率Ｖ決定的，歸一化頻率礦主要由光纖的折射率分布、尺寸和波長(zhǎng)決定，表現(xiàn)為波長(zhǎng)大于某一截止波長(zhǎng)的范圍里，高階模式被截止，光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸。普通單模光纖的單模條件為：ＶＳＭＦ（２）＝（１／２）ｘ２死ａｘ（ｎｃｏＺ－ｎｃ／ｚ）仉３Ｑ．４０５其中ｎ。。和玎。，分別是光纖纖芯和包層的折射率，ｔＴ／是纖芯直徑，Ａ是波長(zhǎng)。在普通光纖中，由于ｎｃｏ和ｎ。／只與材料色散有關(guān)，隨波長(zhǎng)變化較小，礦值近似與波長(zhǎng)成反比。因此，總能找到一個(gè)特定的波長(zhǎng)，使得當(dāng)波長(zhǎng)小于這個(gè)特定波長(zhǎng)時(shí)，Ｖ值大于２．４０５，光纖呈現(xiàn)多模。由于光子晶體光纖具有靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，折射率傳導(dǎo)光子晶體光纖可以在任意波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)單模傳導(dǎo)，即無(wú)截止單模傳導(dǎo)。實(shí)際上光子晶體光纖的單模傳導(dǎo)類(lèi)似普通光纖，可以定義為【１．３４，１．３５］：Ｖｐｃｒ（，ｂ＝Ｕ／，ｔ）×２７叫（，ｚ。０２－玎。廠(chǎng)）仉３：；面４（１．１）第一章緒論其中以是空氣孔的問(wèn)距。在光于晶體光纖中，當(dāng)波長(zhǎng)衛(wèi)小于空氣孔的間距時(shí)，包層有效折射率強(qiáng)烈依賴(lài)于波長(zhǎng)，隨著波長(zhǎng)的變短，分布在空氣洞中的場(chǎng)能量減少，包層的有效折射率隨之增大。纖芯和包層的有效折射率差也相對(duì)減小，從而使ｙ接近一個(gè)常數(shù)。圖ｌ２顯示了不同空氣孔直徑ｄ／Ａ下ｙ參數(shù)的變化。可以看出，當(dāng)ｄ／Ａ小于某一特定值時(shí)，有效歸一化頻率ｒ始終低于產(chǎn)生多模的臨界值．這表明所對(duì)應(yīng)光子晶體光纖具有無(wú)截止波長(zhǎng)單模傳導(dǎo)特點(diǎn)。圖１２不同空氣孔大小情況下光子晶體光纖ｖ參數(shù)的變化下圖ｌ３所示為國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)飛光纖光纜公司拉制的相關(guān)光子晶體光纖。我們可以明顯地看到，圖（ａ）所示光纖的纖芯模式（可見(jiàn)光）具有多模分布的形狀，而圖（ｂ）則是很好的單模分布。（ａＪ（ｂＪ圖１３長(zhǎng)飛公司拉制的無(wú)截止單模光子晶體光纖２雙折射光子晶體光纖在光纖中傳導(dǎo)的兩個(gè)偏振方向正交的模式，由于光纖結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)或者隨機(jī)擾動(dòng)等原因，往往會(huì)具有不同的傳播常數(shù)和群速度，這就是我們所說(shuō)的雙折劓＇（ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｅｅ）特性叫“。制造低雙折射光纖的關(guān)鍵是減小結(jié)構(gòu)擾動(dòng)對(duì)光纖雙折射的影響。對(duì)光子晶體光纖來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增大尺度因子朋和減小空氣孔尺寸ｄ／Ａ來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)．４／２第一章緒論增大兩倍，結(jié)構(gòu)擾動(dòng)對(duì)雙折射的影響下降約１０倍。然而這種改進(jìn)通常需要犧牲光子晶體光纖的其它重要特性，如模式的數(shù)量、模場(chǎng)尺寸和彎曲損耗等。此外減小空氣孔尺寸還會(huì)增大外部應(yīng)力對(duì)雙折射的影響。因此在光纖的設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)這些因素進(jìn)行權(quán)衡。通常，我們需要在光纖中人為的引入高職折射．目的是為了避免隨機(jī)雙折射改變光纖中光的偏振方向，這種光纖稱(chēng)為保偏光纖。在保偏光纖中，雙折射效應(yīng)越強(qiáng)，拍長(zhǎng)越短，保持光偏振態(tài)越好。利用光纖的幾何形狀不對(duì)稱(chēng)是實(shí)現(xiàn)高雙折射光纖的主要途徑。光子晶體光纖根容易做到這一點(diǎn)，只需要破壞光纖截面的圓對(duì)稱(chēng)性，使其構(gòu)成二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射。通過(guò)減少空氣孔數(shù)目或者改變空氣孔直徑的方式，可以制成比普通的熊貓保偏光纖高幾個(gè)量級(jí)的高雙折射光子晶體光纖。這種高雙折射性質(zhì)使其在傳感領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景㈣ｏ。蚓。下圖是一些典型的高雙折射光于晶體光纖結(jié)構(gòu)，包括早期的熊貓型保偏光子晶體光纖（ａ）【１３９１，目前最主流的引入兩個(gè)大孔的高雙折射光子晶體光纖（ｂ）；研究人員通過(guò)合適設(shè)計(jì)兩個(gè)大孔和其他小空氣孔的大?。€可以得到單模單偏振的光子晶體光纖，也就是兩個(gè)正交基模只有一個(gè)可以在光纖中傳導(dǎo)，得到真正意義上的單模光纖１１隙光纖（ｃ）［１４２．１４“１４Ｊｌ：另外，２００５年出現(xiàn)了空芯帶隙型高雙折射光子帶Ｆｉｂｅｒ４１１：晶近，ＣｒｙｓｔａｌＭＳ公司還研制出了單模取包層的單偏振光子晶體光纖ｆｄ）。Ｅ■曩。霎（ａ）（ｂ）（０（ｄ）圖１４一些典型的雙折射光子晶體光纖結(jié)構(gòu)３高非線(xiàn)性光子晶體光纖非線(xiàn)性光學(xué)是激光發(fā)明以后發(fā)展起來(lái)的－－１＇３新興的學(xué)科分支，現(xiàn)在已成為近代科學(xué)前沿最為活躍的學(xué)科領(lǐng)域之一。近年來(lái)，超短脈沖激光技術(shù)和光子晶體光纖技術(shù)的出現(xiàn)，更使非線(xiàn)性光學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段【¨４Ｉ。第一章緒論在非線(xiàn)性光纖光學(xué)中，一般用非線(xiàn)性系數(shù)來(lái)衡量非線(xiàn)性效應(yīng)，定義為：，２Ｈ∞Ｈ“劫（１２）其中一。提有效模場(chǎng)面積，ｏＪ是光波頻率，ｔ１２是由非線(xiàn)性效應(yīng)引起的折射率變化的系數(shù)，與石英的材料性質(zhì)有關(guān)：ｎ２＝（３／Ｓｎ）Ｒｅ（，）（１３）對(duì)于一般的石英光纖，ｅｔ２的值大約是２５ｘｌｆｆ２０ｍ７，ｗ。因?yàn)樾∧?chǎng)面積意味著能量集中在更小區(qū)域里，從而使光纖在相同輸入功率的情況下出現(xiàn)更高非線(xiàn)性效應(yīng)．所咀，正如上面的式子中所示，越小的有效模場(chǎng)面積對(duì)應(yīng)越大的非線(xiàn)性系數(shù)。在光子晶體光纖中，因?yàn)榭梢赃M(jìn)行靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得比普通光纖小幾十倍的有效模場(chǎng)面積，從而有可能獲得比普通光纖更高的非線(xiàn)性系數(shù)。這意味著在高非線(xiàn)性光子晶體光纖中，只需要更短的光纖長(zhǎng)度，就可以獲得同普通光纖相同的非線(xiàn)性效應(yīng)，如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及拉曼效應(yīng)等。同時(shí)由于光子晶體光纖包層中空氣孔對(duì)聲波具有反波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。增加了聲波的損耗，這導(dǎo)致在光予晶體光纖中，受激布里淵散射的閾值大大提高Ｉｔ４５－１．５７１。常規(guī)光纖有效截面積在５０＋１００１ａｍ２量級(jí)，而光子晶體光纖可以做到Ｉｐ．ｍ２量級(jí)，目前甚至已經(jīng)出現(xiàn)了納米量級(jí)的超高非線(xiàn)性光于晶體光纖。實(shí)際上．高非線(xiàn)性光子晶體光纖的基本結(jié)構(gòu)都大同小異，主要區(qū)別是特殊色散特性的要求上，下圖１５中是一些典型的光纖結(jié)構(gòu)，圖１５．ａ的光纖的纖芯直徑已有１Ⅱｍ量級(jí)，而圖１５ｂ更是達(dá)到了納米量級(jí)。（ｂ）圖ｌ５典型的高非線(xiàn)性光子晶體光纖結(jié)構(gòu)除了減小光纖纖芯的模場(chǎng)面積，我們也可以采用別的具有更高非線(xiàn)性折射率系數(shù)的材料來(lái)增大非線(xiàn)性，比如碲玻璃、鋁玻璃、砷鎵鋁等等，下圖１６顯示了目前所報(bào)道的各種材料光纖的典型非線(xiàn)性系數(shù)。在高非線(xiàn)性光子晶體光纖一（曲第一章緒論領(lǐng)域，ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司已經(jīng)制備出在６７０ｎｍ非線(xiàn)性系數(shù)高達(dá)２１４Ｗ＂１ｋｍ。１的商用超高非線(xiàn)性光子晶體光纖，２００６年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的Ｌｅｏｎｇ等人制備出了小芯徑鉛硅酸鹽光子晶體光纖，在１５５０ｎｍ波長(zhǎng)處的非線(xiàn)性系數(shù)高達(dá)１８６０Ｗ＂１ｋｍ～ＩＩ．５８ｑ．６０］。辱∞ｃＪＪ曼ｌｅ－５ｌｅ．，４ｌｅ－３ｌｅ－２ｌｅ－１ｌｅ＋０ｌｅ＋１ｌｅ＋２１０＋３ＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｆｄＢ／ｍ１圖１．６各種材料光纖的典型非線(xiàn)性系數(shù)４．大模場(chǎng)面積光子晶體光纖在高功率的光纖激光器、放大器、大功率光傳輸?shù)认到y(tǒng)中，由于高功率帶來(lái)的非線(xiàn)性效應(yīng)，比如自相位調(diào)锘Ｕ（ＳＰＭ）、交叉相位調(diào)錯(cuò)ＩＪ（ＸＰＭ）、三次諧波產(chǎn)生（３ＨＧ）、四波混頻（ＦＷＭ）、受激拉曼散射（ＳＲＳ）、受激布里淵散射（ＳＢＳ）等，往往會(huì)產(chǎn)生很多負(fù)面影響。我們知道，小的模場(chǎng)面積有利于得到大的非線(xiàn)性系數(shù)，相應(yīng)地，大模面積的光子晶體光纖則有利于減小非線(xiàn)性系數(shù)，增大非線(xiàn)性閾值，減小非線(xiàn)性效應(yīng)的影響。大的模場(chǎng)面積也有利于降低單位面積上的功率分布，可以有效地增大光纖的損傷閾值功率，防止光纖在高功率傳輸過(guò)程中被過(guò)高的能量密度損壞，有利于提高光纖所能承受的傳輸功率。利用光子晶體光纖技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)大模面積光纖導(dǎo)光，比如單模的大模面積光子晶體光纖、雙包層大模面積光子晶體光纖以及稀土摻雜大模面積光子晶體光纖等等［Ｉ．６１－１．６６】。５．特殊色散的光子晶體光纖在普通光纖中，色散主要由石英的材料色散決定，通常只有在１３００ｒｉｍ以上的區(qū)域才能出現(xiàn)反常色散，從而限制了許多非線(xiàn)性效應(yīng)的產(chǎn)生。相比之下，光子晶體光纖中的色散具有非常大的靈活性，我們不但可以簡(jiǎn)單地通過(guò)控制空氣孔來(lái)改變光纖的色散∞７正７０１，還可以利用諸如表面模耦合、超模耦合、反諧８第一章緒論振等效應(yīng)得到更豐富的色散特性［１．７ｚ，１．７２］，比如大負(fù)色散的光子晶體光纖、色散平坦的光子晶體光纖、色散可調(diào)的光子晶體光纖等等。這些性質(zhì)在色散控制和非線(xiàn)性光學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。６．其他有人曾經(jīng)預(yù)測(cè)光子晶體光纖的損耗極限是Ｏ．０１ｄＢ／ｋｍ，目前折射率引導(dǎo)型的光子晶體光纖的傳輸損耗已經(jīng)降至０．３７ｄＢ／ｋｍ，而帶隙型的光子晶體光纖傳輸損耗則達(dá)到１．７ｄＢ／ｋｍ【ｉ．７３】。理論上來(lái)說(shuō)，后者比前者更有應(yīng)用潛力，第一是因?yàn)楣庾訋豆饫w允許的彎曲半徑是很小的，可以極大降低彎曲損耗；第二個(gè)原因就是它可以實(shí)現(xiàn)空氣甚至真空導(dǎo)光，所以作為材料屬性的材料吸收、瑞利散射、色散、非線(xiàn)性效應(yīng)將不復(fù)存在，從這個(gè)角度說(shuō)，它的意義將不僅僅是更小的損耗極限了。最近，研究人員拉制了一種新的Ｋａｇｏｍｅ結(jié)構(gòu)的光子帶隙光纖，在很高的孔間距的情況下實(shí)現(xiàn)了寬帶的帶隙引導(dǎo)［１．７４，１．７５】。另外，研究人員還研制出了Ｂｒａｇｇ光子帶隙光纖【ｌ?７６】，利用Ｂｒａｇｇ反射原理同樣能夠?qū)崿F(xiàn)空氣孔的帶隙導(dǎo)光，這種光纖是未來(lái)設(shè)計(jì)寬帶低損耗光子帶隙光纖的一種很有潛力的解決方案。除了空氣孔光子帶隙光纖，研究人員利用反諧振原理還設(shè)計(jì)拉制了全固的光子帶隙光纖【１．７７。１７９１。這種光纖中，高折射率的摻雜柱取代了原先的空氣孔，而導(dǎo)光纖芯維持石英纖芯不變，可以在較大的柱間距的情況先得到較好的帶隙引導(dǎo)，并且?guī)兑龑?dǎo)的模式表現(xiàn)清晰，各個(gè)帶隙往往對(duì)應(yīng)著不同階次的模式，有利于對(duì)相應(yīng)的反諧振帶隙引導(dǎo)物理機(jī)理的研究。這種光纖的一個(gè)較大的缺點(diǎn)是彎曲損耗較大，通過(guò)在高折射率柱外引入一圈低折射率摻雜圓環(huán)，Ｇ．Ｒｅｎ等人研制出了彎曲損耗較小的全固光子帶隙光纖Ｄ．８０］。最近，南開(kāi)大學(xué)的Ｚ．Ｗａｎｇ等人研制了雙芯的全固光子帶隙光纖、Ｌ．Ｊｉｎ等人則首次在全固光子帶隙光纖中寫(xiě)制了Ｂｒａｇｇ光柵［Ｉ．８１－１．８４】。除了以上提到的這些光子晶體光纖之外，國(guó)內(nèi)外還出現(xiàn)了雙包層的光子晶體光纖、雙芯／多芯光子晶體光纖、液晶光子晶體光纖等等。９第一章緒論１．１．４光子晶體光纖的數(shù)值研究方法光子晶體光纖與普通光纖相比具有更加復(fù)雜的截面結(jié)構(gòu)和傳導(dǎo)機(jī)制，導(dǎo)致了不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖在性能上往往有很大差別。由于其結(jié)構(gòu)和傳導(dǎo)機(jī)制的復(fù)雜性，我們通常無(wú)法獲得問(wèn)題的解析解，也不能直接應(yīng)用傳統(tǒng)的光纖理論，只能借助于數(shù)值分析方法【１８５１。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)展了多種光子晶體光纖的數(shù)值分析方法，他們包括有限元方法【１８６?１?８７１、平面波展開(kāi)法【１。８８】、有限差分法、有效折射率法、多極法、局部函數(shù)法、超元胞晶格法、態(tài)密度法、格林函數(shù)法、邊界元法、多重散射法、散射矩陣法等等【１。８９小９４１，在本論文的研究中，我們主要采用了有限元方法和平面波展開(kāi)法。１．有限單元法有限單元法（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）是２０世紀(jì)五十年代中期至六十年代末出現(xiàn)的一種計(jì)算方法【１‘８６】。經(jīng)過(guò)多年的研究，這種算法已經(jīng)很成熟而且適用范圍非常廣泛。它不僅可以用于計(jì)算電磁場(chǎng)，而且還可以用于計(jì)算力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的問(wèn)題，以及計(jì)算多個(gè)物理過(guò)程共同作用的情況。它不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，因而可用于深入地研究分析各種類(lèi)型的光子晶體光纖。利用有限單元法研究光子晶體光纖的基本思想是：將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限數(shù)量、按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的組合體；利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)分片地表示全求解域上待求的場(chǎng)函數(shù)，然后利用泛函的變分方法或Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法，把磁場(chǎng)的波動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)特征值方程，求解這個(gè)代數(shù)特征值方程就可以計(jì)算出光子晶體光纖的傳輸模式和場(chǎng)分布。２．平面波展開(kāi)法平面波展開(kāi)法（ｐｌａｎｅｗａｖｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ＰＷＥＭ）已廣泛應(yīng)用于光子晶體結(jié)構(gòu)的分析中【１。８８１，它是利用Ｂｌｏｃｈ理論將模場(chǎng)表示成平面波交疊的形式，來(lái)分析光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，包括位置、寬度等。由于在光子晶體結(jié)構(gòu)中，折射率是空間坐標(biāo)的周期函數(shù)，可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，同時(shí)模場(chǎng)也具有空間周期性，可以在倒易空間中傅立葉展開(kāi)。將以上展開(kāi)代入電磁場(chǎng)的全矢量方程求解，得到特征函數(shù)，就可以獲得特征模的模場(chǎng)分布和模式的色散關(guān)系。該方法是光子晶體理論中物理概念最清晰的方法之一，廣泛應(yīng)用于分析一維、二維和三維光子晶體結(jié)構(gòu)，但是在實(shí)際的數(shù)值計(jì)算中場(chǎng)函數(shù)展開(kāi)只能取有限項(xiàng)。這是因?yàn)轫?xiàng)數(shù)越多，計(jì)算精度越高，所消耗的時(shí)間和系統(tǒng)資源也越多，１０第一章緒論因此需要根據(jù)實(shí)際的要求進(jìn)行權(quán)衡。而且當(dāng)采用這種方法計(jì)算缺陷模式時(shí)，由于采用超晶格近似中隱含使用了周期邊界條件，所以不能計(jì)算由于包層結(jié)構(gòu)有限帶來(lái)的損耗，因此更適合計(jì)算具有完整周期結(jié)構(gòu)的光子帶隙。１，１．５光子晶體光纖的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外一些著名的光子晶體光纖研究單位包括英國(guó)Ｂａｔｈ大學(xué)、南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心、丹麥理工學(xué)院、丹麥ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司、悉尼大學(xué)、Ｂｅｌｌ實(shí)驗(yàn)室、Ｌｕｃｅｎｔ公司、ＭＩＴ、日本Ｎ丌公司等。Ｂａｔｈ大學(xué)是最早開(kāi)展光子晶體光纖研究并且也是目前世界上研究光子晶體光纖最著名和實(shí)力最強(qiáng)的單位之一，他們的研究涉及各種光子晶體光纖的拉制、光纖物理特性研究、光子晶體光纖非線(xiàn)性應(yīng)用等等。特別是在光子帶隙光纖和高非線(xiàn)性光子晶體光纖方面，早在２００５年他們就研制出在１５６５ｎｍ處損耗只有１．７２ｄＢ／ｋｍ的光子帶隙光纖；２００７年，他們報(bào)道了傳輸帶寬得到大大提高的Ｋａｇｏｍｅ結(jié)構(gòu)光子帶隙光纖；而最近，Ｋｎｉｇｈｔ領(lǐng)導(dǎo)的小組更是用他們自制的高非線(xiàn)性光纖研制成功了表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異的“白光”超連續(xù)光源。南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心在光纖領(lǐng)域有很強(qiáng)的研究實(shí)力。在光子晶體光纖方面，南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心的研究涉及廣泛，包括各種光子晶體光纖的拉制、光纖物理特性研究、傳感應(yīng)用等等，他們最近比較著名的研究成果就是對(duì)光子晶體光纖進(jìn)行的金屬、半導(dǎo)體材料沉積，Ｐ．Ｓａｚｉｏ等人就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將鍺、金、硅等固態(tài)材料沉積在光子晶體光纖的空氣孔壁上，這方面的研究己發(fā)表在（（Ｓｃｉｅｎｃｅ））等著名刊物上。丹麥理工學(xué)院（ＤＴＵ）在光子晶體光纖方面的研究開(kāi)展很早，他們有一批很有名的研究專(zhuān)家，比如ＡｎｄｅｒｓＢｊａｒｋｌｅｖ、ＪｅｓＢｒｏｅｎｇ等人。他們最近也是雖著名的研究就是對(duì)光子晶體光纖填充液晶材料，形成光子帶隙引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)特殊的應(yīng)用。目前，他們已經(jīng)商品化地用這種方法制造出了光子帶隙光纖偏振儀。另外，世界著名的ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司也正是依托于丹麥理工學(xué)院建立的。ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司是目前世界上最強(qiáng)的光子晶體光纖制造廠(chǎng)商，他們拉制的光纖無(wú)論是種類(lèi)、質(zhì)量、還是價(jià)格都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他相應(yīng)的光纖廠(chǎng)商。ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司是依托于丹麥理工學(xué)院于１９９９年建立的，他們的產(chǎn)品覆蓋各種各樣的光子晶體光纖以及一些相關(guān)光纖器件，比如大模面積光子晶體光第一章緒論纖、空芯光子帶隙光纖、色散平坦高非線(xiàn)性光子晶體光纖以及飛秒“白光”光源等等。他們是目前唯一真正商品化供應(yīng)空芯光子帶隙光纖的廠(chǎng)商，當(dāng)然價(jià)格也是相當(dāng)?shù)陌嘿F。２００４年，ＣｒｙｓｔＮＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司合并了英國(guó)的ＢｌａｚｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ公司，實(shí)力也得到大大加強(qiáng)，形成了一家獨(dú)大的局面，在諸如光子帶隙光纖、高非線(xiàn)性光子晶體光纖、雙包層光子晶體光纖等領(lǐng)域，目前世界上難有能撼動(dòng)其地位的廠(chǎng)商。其他的悉尼大學(xué)、Ｂｅｌｌ實(shí)驗(yàn)室、Ｌｕｃｅｎｔ公司、ＭＩＴ、日本ＮＴＴ公司等都有很強(qiáng)的研究實(shí)力，也有很著名的研究專(zhuān)家，比如由ＭＩＴ開(kāi)發(fā)的著名的平面波展開(kāi)法計(jì)算軟件——ＭＰＢ，比如悉尼大學(xué)Ｂ．Ｊ．Ｅｇｇｌｉｔｏｎ教授等等。實(shí)際上，伴隨光子晶體光纖的研究的持續(xù)火熱，世界各地都在開(kāi)展這方面的研究，在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、天津大學(xué)、北京交通大學(xué)、燕山大學(xué)、武漢郵電科學(xué)院等都早已進(jìn)入到這一領(lǐng)域，從最開(kāi)始的主要的理論研究，到現(xiàn)在理論和實(shí)驗(yàn)并進(jìn)，國(guó)內(nèi)的研究工作者們已經(jīng)大大地拉近了與國(guó)外的差距，某些方面也達(dá)到世界先進(jìn)水平，比如清華大學(xué)和武漢郵電科學(xué)院研制的色散達(dá)到．２０４５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ的光子晶體光纖，南開(kāi)大學(xué)寫(xiě)制的光子晶體光纖光柵和全固光子帶隙光纖光柵，燕山大學(xué)拉制的各種單結(jié)構(gòu)、多結(jié)構(gòu)和多束集成式的光子晶體光纖等等。光纖拉制廠(chǎng)商方面，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)飛公司、烽火公司、電子科技集團(tuán)４６所都開(kāi)展了這方面的研究，同時(shí)，他們也都已經(jīng)拉制出了許多種類(lèi)的光子晶體光纖，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)截止單模光子晶體光纖、保偏光子晶體光纖、全固光子帶隙光纖、Ｂｒａｇｇ光纖、雙芯光子晶體光纖、高非線(xiàn)性光子晶體光纖等的完全國(guó)產(chǎn)化，這將大大降低這些光子晶體光纖的價(jià)格，打破這些光纖完全靠進(jìn)口的局面。當(dāng)然，由于技術(shù)原因，一些特殊光纖暫時(shí)還沒(méi)有拉制成功，典型如空芯的光子帶隙光纖，這些方面都有待進(jìn)一步發(fā)展。１．２基于材料填充的光子晶體光纖技術(shù)及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展區(qū)別于傳統(tǒng)光纖和全固光子帶隙光纖，空氣孔光子晶體光纖在包層或者纖芯引入空氣孔結(jié)構(gòu)，是目前最主流的一類(lèi)光子晶體光纖。由于引入空氣孔結(jié)構(gòu)，為填充各種材料進(jìn)入光子晶體光纖提供了空間，相比于光子晶體光纖各種優(yōu)異的光學(xué)特性，這一特點(diǎn)可以極大地拓寬光子晶體光纖的應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)和１２第一章結(jié)論制造出更多的新型光子晶體光纖器件，比如已有報(bào)道的溫度可調(diào)諧的填充光子帶隙光纖、電場(chǎng)可調(diào)諧的填充光子帶隙光纖、電控的液晶填充光子帶隙光纖偏振儀、液晶填充的光子晶體光纖長(zhǎng)周期光柵、液晶纖芯的高雙折射光子晶體光纖、液晶纖芯的雙芯光子晶體光纖、液芯光子晶體光纖微流傳輸、增強(qiáng)Ｒａｍａｎ散射的液芯光子晶體光纖傳感應(yīng)用、液體填充光子帶隙光纖中高效Ｒｍ＇ｎａｎ散射的產(chǎn)生、纖芯涂覆實(shí)現(xiàn)高靈敏度的熒光檢測(cè)等等”５１１０６］。最早的光子晶體光纖的材料填充研究應(yīng)用要追溯到１９９９年，當(dāng)時(shí)的ＡＡｂｒａｍｏｖ和ＢＪＡＥｇｇｌｅｔｏｎ還沒(méi)去悉尼大學(xué)，他們都在Ｌｕｃｅｎｔ公司的Ｂｅｌｌ實(shí)驗(yàn)室。在他們的研究中，他們對(duì)一根寫(xiě)有長(zhǎng)周期光柵的光子晶體光纖包層空氣孔進(jìn)行了聚合物材料填充，如下圖１７所示。然后，他們?cè)诠饫w外層涂覆一層金屬，對(duì)金屬材料通以電流可以使溫度升高，通過(guò)控制通電功率來(lái)控制溫度，由于液態(tài)的聚合物材料的折射率是溫度可調(diào)的，填充材料的折射率變化將強(qiáng)烈影響長(zhǎng)周期光柵的諧振波長(zhǎng)的位置．從而最終實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期光柵的諧振波長(zhǎng)的電致調(diào)諧，調(diào)諧范圍達(dá)到６０ｒｉｍ［１”】。在此之后，他們組采用了柚于形的光于晶體光纖，更是實(shí)現(xiàn)了超過(guò)１００ｎｍ的調(diào)諧范圍【】吲。幽１７最早的用填充方法實(shí)現(xiàn)的光柵諧振波長(zhǎng)調(diào)諧在２００２年，Ｃ．Ｋｅｒｂａｇｅ和Ｂ．ＪＥｇｇｌｅｔｏｎ二人還報(bào)道了另外一種通過(guò)對(duì)柚子形光子晶體光纖的選擇性填充，形成雙折射溫度可調(diào)的光子晶體光纖的方案，如下圖１８所示。填充材料是溫敏的聚合物材料，通過(guò)選擇性填充的方法填充到個(gè)別選定的空氣孔中，形成結(jié)構(gòu)的不對(duì)成性，使該光纖產(chǎn)生較大的雙折射，同時(shí)，由于填充材料的溫敏特性，從而實(shí)現(xiàn)雙折射的溫度可調(diào)諧…０５。ⅢＩ。第章緒論圖１８通過(guò)選擇性填充實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的高雙折射光子品體光纖以上的填充方案中，填充材料和導(dǎo)光的纖芯區(qū)域是相距較遠(yuǎn)的，光纖導(dǎo)光雖然受到填充材料折射率的強(qiáng)烈影響，但是光纖仍然維持了纖芯的折射率引導(dǎo)。２００２年，ＲＴＢｉｓｅ和ＢＪＥｇｇｌｅｔｏｎ等人在ＯＦＣ大會(huì)上做了一篇關(guān)于可調(diào)光子帶隙光纖的報(bào)道，一種新的材料填充方案開(kāi)始引起了研究人員的極大關(guān)注：在純硅的光子晶體光纖的包層空氣孔中填充聚合物材料，由于聚合物材料折射率高于石英的折射率，使得光纖纖芯處于低折射率區(qū)域，光纖無(wú)法實(shí)現(xiàn)折射率引導(dǎo)的導(dǎo)光，而是變成了帶隙導(dǎo)光的光子帶隙光纖ＬＩ．９７］。Ｆ圖１．９中是他們最早報(bào)道的結(jié)果。圖１．９晟早報(bào)道的填充致光于帶隙引導(dǎo)，左圖為所用的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖．右圖為帶隙傳導(dǎo)光譜在此后不久，丹麥理工學(xué)院的Ｌ晶材料填充的可調(diào)諧光子帶隙光纖【１Ｔ９ｓ】Ｌａｒｓｅｌｌ和ＡＢｊｆｌｒｋｌｅｖ等人又報(bào)道了液在他們的研究中，液晶材料是首次被采用。由于液晶材料本身具有很豐富并且很優(yōu)異的光學(xué)特性，比如說(shuō)雙折射特性、電光調(diào)南４特性、溫度敏感特性和液晶分子的特殊取向排列等特性．研究人員相信基于液晶材料填充的光子帶隙光纖有巨大研究和應(yīng)用價(jià)值。在此后的幾第一章緒論年時(shí)間里，世界各地都有不少研究人員參與到這部分的研究中，其中，以ＡＢｉａｒｋｌｅｖ等人為代表的丹麥理工學(xué)院在這方面做了非常多也非常優(yōu)秀的工作。最近．他們已經(jīng)通過(guò)對(duì)液晶填充光子帶隙光纖施加梳狀電極的辦法，制各得到了電控的長(zhǎng)周期光子帶隙光纖光柵…叫；另外，在他們于２００７年發(fā)表的一篇ＯｐｔｉｃＬｅｔｔｅｒ文章中，他們還報(bào)道了一種電控的偏振儀”Ⅲ】，偏振消光比達(dá)到１５ｄＢ，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，如圖１．１０。一器－＾√～、≮一裕測(cè)圖１１０丹壺理上學(xué)院研制的液品填充的光子帶隙光纖偏振儀除了填充液態(tài)的材料之外，通過(guò)一些特殊的辦法，氣態(tài)和固態(tài)的材料也可以被填充到光子晶體光纖中…∞川“。在２００２年的一篇《ｓｑｃｆｌｃｅ》文章中，Ｂａｔｈ大學(xué)的ＦＢｃｎａｂｉｄ和ＪＣＫｍ曲ｔ就報(bào)導(dǎo)了氫氣的填充：他們?cè)诳招镜墓庾訋豆饫w中填充氫氣（高壓環(huán)境下），光纖就變成氫氣纖芯，然后用５３２ｎｍ的納秒級(jí)脈沖激光進(jìn)行泵浦，觀(guān)察到了氧氣的受激拉曼散射叫明。圖１１１空芯光于帶隙光纖中填充氫氣并通過(guò)脈沖撒光泵浦觀(guān)察到受激拉曼敞射２００６年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的ＰＳａｚｉｏ等人報(bào)道的半導(dǎo)體以及金屬材料的填充更是把這方面的研究帶到了個(gè)新的高度，他們的研究結(jié)果也發(fā)表在了頂級(jí)刊物《ｓｄ∞ｃｅ》上ＩｌｉＯｎ］。不同于之前的理論研究，ＰＳａｚｉｏ等是實(shí)驗(yàn)上成功將固態(tài)的硅、鍺、金等材料沉積到光子晶體光纖空氣孔的孔壁上．如下圖１１２。他們用的是一種高壓微流化學(xué)沉積的技術(shù)，而不是在微電子學(xué)等領(lǐng)域人們更為熟知的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，他們不僅實(shí)現(xiàn)了軸向均勻、厚度精確的沉積ｌ５第一章緒論結(jié)果，而且還得到了高質(zhì)量的多晶和單晶半導(dǎo)體的沉積，這對(duì)于精確控制電子傳輸、實(shí)現(xiàn)全光纖的光電子器件是極為重要的一步，而且也為更多的具有各種各樣特性固態(tài)材料的填充奠定了基礎(chǔ)，具有相當(dāng)重大的意義！圈１１２采用高壓微流沉積方法實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體和金屬材料的填充除了以上提到的這些填充研究之外，這一兩年還報(bào)道了很多傳感方而的填充應(yīng)用。包括增強(qiáng)Ｒａｍａｎ散射的液芯光于晶體光纖傳感應(yīng)用、通過(guò)填充方法實(shí)現(xiàn)的液體材料折射率檢測(cè)、液體填充光子帶隙光纖中高效Ｒａｍａｎ散射的產(chǎn)生、纖芯涂覆實(shí)現(xiàn)高靈敏度的熒光檢測(cè)等等。由于填充材料的豐富多樣，這方面的研究有非常廣闊的發(fā)展空間，也是晟近幾年來(lái)光子晶體光纖方面的一大研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，伴隨著更多研究的進(jìn)一步拓展和深入，我們相信，基于材料填充的光子晶體光纖的研究必將取得更多更重大的成果和應(yīng)用１１．３本論文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)本論文的選題來(lái)源于國(guó)家９７３項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基盒等項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，以光子晶體光纖為主要研究對(duì)象，在對(duì)光子晶體光纖各種傳輸特性研究和各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了基于材料填充的光子晶體光纖研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：１研究了光予晶體光纖的各種填充技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了兩種選擇性填充方案，利用石蠟的毛細(xì)填充和氫氟酸的側(cè)向腐蝕實(shí)現(xiàn)了靈活方便的選擇性填充，然后，結(jié)合并引入氫氟酸的填充性腐蝕，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子晶體光纖導(dǎo)光特性的靈活控制；２研究了溫敏聚合物材料填充的光子帶隙光纖帶隙導(dǎo)光特性以及溫度調(diào)諧特性。我們首先在兩種石英纖芯的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖中填充高折射率第一章緒論的溫敏聚合物材料，得到了光子帶隙引導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)研究了光纖的彎曲損耗特性，發(fā)現(xiàn)這種光纖的彎曲損耗相當(dāng)小，比全固光子帶隙光纖小很多。然后，利用材料的溫度調(diào)諧能力，我們實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)光帶隙的靈活調(diào)諧，調(diào)諧范圍超過(guò)２００ｒｉｍ。同時(shí)，采用分段溫控的辦法，我們還實(shí)現(xiàn)了帶隙寬度的可調(diào)諧壓窄，實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了將２００ｎｍ的導(dǎo)光帶隙壓窄到３０ｎｍ，我們還結(jié)合數(shù)值方法進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究，理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的相當(dāng)好；３．研究了液晶材料填充的光子帶隙光纖帶隙導(dǎo)光特性及相應(yīng)的調(diào)諧特性，包括溫度調(diào)諧和電場(chǎng)調(diào)諧。我們首先通過(guò)液晶填充光子晶體光纖，得到了帶隙引導(dǎo)的液晶光子帶隙光纖。我們發(fā)現(xiàn)在液晶材料清亮點(diǎn)溫度附近，該液晶光子帶隙光纖的導(dǎo)光特性的溫度響應(yīng)非常靈敏，達(dá)到５０ｎｍ／℃?；谶@種液晶光子帶隙光纖，我們研制了電場(chǎng)控制的電調(diào)諧Ｓａｇｎａｃ干涉儀，在１５５０ｒｉｍ波段實(shí)現(xiàn)了深度達(dá)到２７ｄＢ的干涉濾波輸出，通過(guò)加載電壓可控的電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)４０ｎ．ｍ的調(diào)諧，調(diào)諧效率達(dá)到１．２８ｎｒｎ／Ｖ，該Ｓａｇｎａｃ干涉儀可以應(yīng)用于研制具有更快響應(yīng)能力的光纖濾波器、衰減器和光開(kāi)關(guān)等器件：４．提出了基于材料填充的雙芯光子帶隙光纖。利用折射率可以隨溫度改變的聚合物材料填充，得到了雙芯光子帶隙光纖，試驗(yàn)和理論的研究表明該種雙芯光子帶隙光纖具有優(yōu)異的調(diào)諧能力，包括對(duì)導(dǎo)光帶隙的溫度調(diào)諧以及對(duì)雙芯耦合的溫度調(diào)諧。在理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可調(diào)諧的全光纖耦合器，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。５．提出了基于量子點(diǎn)材料填充的光子晶體光纖，進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。我們?cè)谶M(jìn)行量子點(diǎn)填充光子晶體光纖實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，利用平面波展開(kāi)方法和有限元方法對(duì)量子點(diǎn)沉積的光子帶隙光纖進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了這種填充對(duì)光纖導(dǎo)光性能的影響，并成功將量子點(diǎn)填充進(jìn)入光子晶體光纖。然后，我們用１３０ｍＷ的９８０ｎｍ激光器泵浦量子點(diǎn)填充的光子晶體光纖，試驗(yàn)觀(guān)測(cè)其發(fā)射光譜，初步得到了激光發(fā)射。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)主要包括：１．在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了材料填充的雙芯光子帶隙光纖，成功實(shí)現(xiàn)了雙芯耦合的溫度調(diào)諧，包括耦合長(zhǎng)度和耦合輸出功率，設(shè)計(jì)了可調(diào)諧的雙芯光子帶隙光纖耦合器；２．在溫敏聚合物填充的光子帶隙光纖中實(shí)現(xiàn)了帶隙位置以及帶隙帶寬的靈活調(diào)諧，并且在理論和實(shí)驗(yàn)上得到很好的吻合。對(duì)溫敏聚合物填充的光子帶隙１７第一章緒論光纖的彎曲損耗進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種光纖具有超小的彎曲損耗，比一般全固光子帶隙光纖小了很多；３．試驗(yàn)研究了液晶填充光子帶隙光纖的溫度和電場(chǎng)調(diào)諧特性，試驗(yàn)研究了清亮點(diǎn)附近的熱光特性對(duì)液晶填充光子帶隙光纖的導(dǎo)光影響，發(fā)現(xiàn)在液晶清亮點(diǎn)附近，帶隙導(dǎo)光受到溫度的強(qiáng)烈影響，實(shí)驗(yàn)上得到的溫度響應(yīng)速度達(dá)到５０ｎｍ／℃；研制出基于液晶材料填充光子帶隙光纖的Ｓａｇｎａｃ干涉儀，在１５５０ｎｍ波段實(shí)現(xiàn)了深度達(dá)到２７ｄＢ的干涉濾波輸出，通過(guò)加載電壓可控的電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)４０ｎｍ的調(diào)諧，調(diào)諧效率達(dá)到１．２８ｎｍ／Ｖ；４．提出了兩種選擇性填充方法，并且利用氫氟酸的填充性腐蝕實(shí)現(xiàn)對(duì)光子晶體光纖光學(xué)特性的改變和改善；５．提出了量子點(diǎn)填充的光子晶體光纖，理論和試驗(yàn)研究了量子點(diǎn)填充對(duì)光子帶隙光纖導(dǎo)光特性的影響以及稀土摻雜量子點(diǎn)光子晶體光纖的發(fā)射光譜特性，為這方面的深入研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。１８第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用２．１光子晶體光纖的填充方法簡(jiǎn)介空氣孔光子晶體光纖在填充方面的諸多應(yīng)用多是建立在成熟的填充技術(shù)基礎(chǔ)之上的。如何把材料填充進(jìn)入光纖？如何實(shí)現(xiàn)研究人員所需要的填充方案？這些問(wèn)題是首先需要解決的問(wèn)題，然而實(shí)際上，空氣孔光子晶體光纖的填充技術(shù)相當(dāng)有限?？偟膩?lái)說(shuō)，填充材料首先必須以液態(tài)或者汽態(tài)的形態(tài)填充進(jìn)入光纖，填充進(jìn)入光纖之后，采取液相沉積或者汽相沉積的方法可以實(shí)現(xiàn)終態(tài)為固態(tài)的材料填充。填充方法可以歸結(jié)為加壓注入或者減壓抽入，這個(gè)主要適填充材料特性來(lái)定，另一方面，由于光纖空氣孔很小，毛細(xì)現(xiàn)象也能一定程度地將填充材料“抽入”光纖，但是填充長(zhǎng)度相當(dāng)有限。光子晶體光纖的填充包括全面填充和選擇性填充，選擇性填充是指在具有多個(gè)空氣孔結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖中，根據(jù)需要選取其中個(gè)別的一個(gè)或者數(shù)個(gè)空氣孔進(jìn)行材料填充，而其他空氣孔不填充。相比比較容易實(shí)現(xiàn)的全面填充，選擇性填充的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難，但同時(shí)，選擇性填充具有靈活豐富的填充方案，特別是隨著各種結(jié)構(gòu)的光纖逐漸被采用，選擇性填充技術(shù)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力，比如通過(guò)選擇性填充實(shí)現(xiàn)雙折射可調(diào)諧的高雙折射光子晶體光纖、選擇性填充光子帶隙光纖的纖芯空氣孔實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的拉曼效應(yīng)等等。２．１．１液相和氣相材料的填充光子晶體光纖的填充研究最早是開(kāi)始于液相材料，后來(lái)才逐步發(fā)展到氣相和固態(tài)材料的填充【１９５。１。１１６１。本部分，我們將主要介紹液相和氣相材料的主要填充方法，包括全面填充、選擇性填充…。２４１、毛細(xì)作用填充和側(cè)向填充等。１９第二章光子品體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用不管是對(duì)液相材料還是氣相材料，我們都可以用圖２１來(lái)概括其填充方法。基本來(lái)說(shuō)就是要引入壓強(qiáng)差，將材料壓入（圖２（圖２１Ｉａ）或者吸入光子晶體光纖ｂ１，對(duì)于材料枯度較低并且填充長(zhǎng)度要求不高的情況，我們可以簡(jiǎn)單地用諸如醫(yī)用針管的裝置作為加壓或者減壓裝置，而對(duì)于材料粘度較高并且填充長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，就需要使用真空泵等裝置了。圈２１光子品體光纖的填充原理示意幽．１：光子晶體光纖，２填充材料，３：加壓裝置。４：減樂(lè)裝置除了上面提到的加壓或者減壓的方法之外，我們還可以通過(guò)一種毛細(xì)作用將材料填充進(jìn)入光子晶體光纖，這個(gè)主要針對(duì)的是部分液相材料。下圖２．２中，假如我們?cè)谥睆綖椋牡拿?xì)管中引入液相材料．對(duì)于某些材料，他們對(duì)于管壁的接觸角口將大于９０。，而某些材料的接觸角０則小于９０。。根據(jù)毛細(xì)作用力的影響，接觸角０大于９０。的材料將受到毛細(xì)作用的推力，會(huì)被擠出毛細(xì)管，而接觸角０小于９０。的材料受到的是吸力，材料將被吸入毛細(xì)管口“。所以，并不是所有液相材料都能通過(guò)毛細(xì)作用被吸入光子晶體光纖，一般說(shuō)來(lái)粘度很低的水、酒精以及液晶、聚合物液體等材料都適用此方法，甚至連蠟燭汁都可以適用。缺點(diǎn)主要是填充長(zhǎng)度有限，一般的光纖能填充數(shù)厘米長(zhǎng)度的酒精，而對(duì)于粘度大一些聚合物液體，往往只能填充不到一厘米。—ｒＬ第二章光子品體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腩蝕應(yīng)用圖２．２毛細(xì)管中液體受到的毛細(xì)作用示意圖光子晶體光纖的全面填充無(wú)需對(duì)光纖進(jìn)行任何預(yù)處理，只需要在填充操作之前保證光纖端面的空氣孔沒(méi)有被贓物堵上即可。早期的填充研究所用的都是全面填充，比如最早的聚合物填充長(zhǎng)周期光子晶體光纖光柵的研究，聚合物和液晶填充形成光子帶隙光纖的研究等等。伴隨著光子晶體光纖的材料填充的不斷深入和拓展，一些特殊的選擇性填充方案開(kāi)始引起關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，光子晶體光纖空氣孔尺寸在ｌ到１０微米左右，在這樣小的空氣孔里面實(shí)現(xiàn)材料的選擇性填充自然是難度相當(dāng)大的。在現(xiàn)有的研究報(bào)道中，目前有兩種主要的選擇性填充方法：一是采用熔接機(jī)電弧放電使得個(gè)別空氣孔塌陷，而相對(duì)較大的其他空氣孔仍然保留，這個(gè)技術(shù)在大孔纖芯的光子晶體光纖纖芯填充上已有應(yīng)用；另一技術(shù)是利用毛細(xì)現(xiàn)象在不同大小空氣孔上的作用力不同，使得填充材料軸向填充長(zhǎng)度不同，通過(guò)填充光敏可固化的聚合物材料實(shí)現(xiàn)不同大小空氣孔的填充選擇性。下圖２ｆ３和２．４分別是以上提到的兩種方法，他們都是通過(guò)對(duì)光子晶體光纖的填充端面進(jìn)行預(yù)處理，使得個(gè)別不需要被填充的空氣孔被塌陷（圖２．３）或者堵上（圖２．４）１２２，２…。圖２．３電弧放電后，包層空氣孔塌陷消失，纖芯大孔變小但仍然保留，從而可以用于纖芯大孔的選擇性填充閏２．４利用光敏聚合物材料的毛細(xì)填充實(shí)現(xiàn)選擇性填充第二章光子品體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性街蝕應(yīng)用２１２固相材料的填充在光于晶體光纖中填充固相材料是最近興起的研究熱點(diǎn)。到目｜ｊ｛『為止．這方面的研究還是屈指可數(shù)的，一方面是因?yàn)楣滔嗖牧系墓庾泳w光纖填充應(yīng)用一直沒(méi)有引起人們太多關(guān)注，另一方面也是因?yàn)槠涮畛涞募夹g(shù)難度帽對(duì)更大，技術(shù)成本過(guò)高。２００６年，ＰＳａｇｏ等人發(fā)表了一篇重要文章在《Ｓｃｉｅｎｃｅ￥，他們率先實(shí)現(xiàn)了在光子晶體光纖中填充固相的半導(dǎo)體材料和金屬材料。我們知道在微電子學(xué)和傳統(tǒng)光纖預(yù)制棒的制作過(guò)程中有種化學(xué)氣相沉積的方法（ＣＶＤ），實(shí)際上用這種方法也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的材料填充，但是這種方法存在兩個(gè)困難：一是在沉積過(guò)程中，光纖中任何位置上很小的偏移抖動(dòng)（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）都會(huì)立即造成沉積過(guò)程終止；二是氣體充入光纖過(guò)程以及廢氣排出光纖的過(guò)程都相當(dāng)緩慢。在他們的研究中，ＰＳａｚｉｏ等人就沒(méi)有采用ＣＶＤ方法，而用的是高壓微流化學(xué)氣相沉積法（Ｈｉｇｈ＝ｐｒｅｓｓｕｒｅｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）”１”ｏ。我們通過(guò)這篇文章中關(guān)于鍺的填充沉積來(lái)｜兌明這種方法：首先，ＧｅＨ。氣體在極高的壓強(qiáng)下被壓入光纖空氣孔，壓強(qiáng)達(dá)到１０ＭＰａ－１００ＭＰａ，比ＣＶＤ方法的壓強(qiáng)高出很多：然后，當(dāng)溫度逐漸升高到３００攝氏度，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成的Ｇｅ開(kāi)始在空氣孔壁上沉積，沉積是非常均勻和光滑的；繼續(xù)升高溫度到超過(guò)３７５攝氏度，由于達(dá)到了Ｇｅ的結(jié)晶溫度。孔壁上沉積的Ｇｅ將開(kāi)始結(jié)晶，最后形成多晶、單晶的鍺。Ｐ辭線(xiàn)的電子衍射斑（ｄ）。陶２３光子品體光纖中沉積的鍺抽）、硅（ｂ）乖Ｊｏｅｓ２（ｃ）．必及單晶艇第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用除了上面提到的氣相沉積方法之外，對(duì)其他的一些材料，還可以采用液相沉積方法。實(shí)際上液相沉積跟氣相沉積方法是差不多的，也是通過(guò)一定加壓或者減壓的方法把填充材料溶液填充進(jìn)入光子晶體光纖，然后通過(guò)降壓、加熱等方法把廢氣（水蒸氣等）抽出。２．２光子晶體光纖的選擇性填充技術(shù)研究選擇性填充技術(shù)具有很大的應(yīng)用價(jià)值Ⅲ之?１４】，前面提到的兩種主要的選擇性填充技術(shù)都只能實(shí)現(xiàn)不同大小空氣孔的填充選擇性，這是目前選擇性填充的最大缺陷，同時(shí)光敏聚合物的光敏材料屬性也是第二種方法的關(guān)鍵因素，如何用更簡(jiǎn)單的方法、材料和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性填充，如何在各種結(jié)構(gòu)的空氣孔光子晶體光纖中實(shí)現(xiàn)選擇性填充，這些將是選擇性填充技術(shù)的主要研究方向。在本部分內(nèi)容中，我們提出了兩種新的選擇性填充方案：第一個(gè)方案中，我們采用石蠟代替前面提到的光敏聚合物，用溫敏控制的方法代替光敏作用，使得整個(gè)操作過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單、方便，而且成本極為低廉；第二個(gè)方案中，我們采用石蠟的同時(shí)結(jié)合了氫氟酸的側(cè)向腐蝕，使得相應(yīng)的選擇性填充方案變得更加靈活，最重要的一點(diǎn)就是對(duì)光纖結(jié)構(gòu)不再有限制，即使對(duì)所有可氣孔都同樣大小的光纖也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的選擇性填充！下面，我們首先考慮采用石蠟代替前面提到的光敏聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性填充。石蠟是很簡(jiǎn)單的材料，非常容易找到，同時(shí)，石蠟融點(diǎn)一般為６０。左右，通過(guò)控制溫度來(lái)改變其形態(tài)也是很容易的。通過(guò)加熱使得石蠟融化，融化之后的蠟汁的粘度并不高，甚至比光敏聚合物的粘度還低，可以通過(guò)毛細(xì)作用很容易地被吸入光纖。在Ｋ．Ｎｅｉｌｓｅｎ等人的研究中【２‘１ｊ，他們計(jì)算了不同密度和不同粘度的材料在不同大小的空氣孔中的毛細(xì)作用力，結(jié)合其他粘滯阻力、重力的綜合作用，得到的結(jié)果表明：對(duì)低粘度的填充材料，毛細(xì)作用造成的吸收長(zhǎng)度直徑更大的大孔中會(huì)更長(zhǎng)一些，以水為例，其粘度為１ｃｐ，時(shí)間為２０分鐘的情況下，在１０微米的孔中的填充長(zhǎng)度為６３ｃｍ，５微米空氣孔為４２ｅｒａ，１微米空氣孔為１８ｃｍ，填充長(zhǎng)度的差距是明顯的。對(duì)于下圖２．５所示的光子晶體光纖，纖芯空氣孔直徑為２３．４１９ｍ微米，包層空氣孔直徑平均在７．８１１ｘｍ微米，而由于石蠟汁的粘度也很低，所以很容易實(shí)現(xiàn)纖芯大孔中更長(zhǎng)的填充長(zhǎng)度。２３第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)閣＠閏２Ａ本部升選擇性填充所選用的光子晶體光纖下圖２５是我們實(shí)現(xiàn)纖芯的選擇性填充的示意圖，分為兩個(gè)步驟：第一步是直接進(jìn)行蠟汁的毛細(xì)吸收，由于纖芯空氣孔更大些，蠟汁在纖芯的吸入長(zhǎng)度會(huì)明顯更長(zhǎng)些，特別是在更是填充時(shí)間的情況下。然后將光纖直接置丁空氣中即可將蠟汁冷卻，在圖中所示的位置進(jìn)行切割后可以得到如圖２．６ａ所示的端面，即纖芯被石蠟堵上而包層空氣孔完好，這樣的端面即可用于包層空氣孔的選擇性填充了：第二步如圖２．５ｂ，對(duì)２，６ａ得到的光纖端面再次填充蠟汁，蠟汁將更長(zhǎng)地被填充到包層空氣孔中，在進(jìn)行相應(yīng)的切割之后，最終即可得到如圖２．６ｂ的端血，除了纖芯大孔之外所有空氣孔都被石蠟堵上，從而可以用于纖芯的選擇性填充?？?，乏：Ｉ（ａ）ｍ）圖２５：利用石蠟代替光敏聚合物實(shí)現(xiàn)選擇性填充的示意圖雨膝（ａＪ（ｂＪ圖２．６：左瞄中，只有纖芯被石蠟堵上，右幽中，除了纖芯以外的所有包層空氣孔完全被石蠟堵上。第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用上面的方法中有一個(gè)缺點(diǎn)就是比較難以判斷合適的切割位置，更多的時(shí)候，我們是通過(guò)先找到填充最深的位置，然后盡量靠近這個(gè)位髯進(jìn)行切割，另外，試驗(yàn)中我們友現(xiàn)石蠟的密閉性非常好，而且石蠟還有個(gè)好處就是耐氫氟酸腐蝕，這一點(diǎn)在我們后面的選擇性填充應(yīng)用中起到了至關(guān)重要的作用，并且在下面的第二種選擇性填充方法中也可以得到應(yīng)用。在上面提到的所有選擇性填充方法中，所實(shí)現(xiàn)選擇性填充的光纖都具有一個(gè)共同的特點(diǎn)：光纖的空氣孔大小具有明顯差距，比如纖芯空氣孔顯著地大于包層空氣孔，所用的選擇性填充也只能實(shí)現(xiàn)不同大小的空氣ｆＬ之間的選擇性，所咀適用范圍是相當(dāng)小的，填充的方案也非常有限。下面，我們介紹另一種選擇性填充方案，可以突破空氣孔大小對(duì)選擇性的限制，有利于實(shí)現(xiàn)更多的填充方案．有利于實(shí)現(xiàn)更多種光子晶體光纖的選擇性填充。圖２．６和圖２．７顯示了我們這種方法的主要步驟：首先，氫氟酸被采用柬進(jìn)行光于晶體光纖的側(cè)向腐蝕，根據(jù)氫氟酸濃度、腐蝕速度等可以經(jīng)驗(yàn)控制側(cè)向腐蝕的深度，圖２．６的示意圖中，我們町以將光纖腐蝕到很細(xì)，只剩下中心纖芯的空氣孔沒(méi)有被腐蝕穿透；然后，我們可以很容易地將石蠟填充進(jìn)入被側(cè)向腐蝕通了的包層空氣孔中，如圖２７中，從而將包層空氣孔全都堵上，在簡(jiǎn)單的切割之后即可用于纖芯的選擇性填充了。＝＝＝＝＝：Ｉ，．＝＝＝＝＝圖２．６氫氟酸側(cè)向腐蝕的示意幽和試驗(yàn)照片瑩一一凹２７側(cè)向填充石蠟的示意圖和試驗(yàn)照片第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用我們相信這個(gè)選擇性填充方法具有更大的應(yīng)用潛力：首先，很多其他材料都可以用來(lái)代替石蠟的作用，假如我們要實(shí)現(xiàn)某些溫度較高情況下的填充，那么石蠟就會(huì)融化，此時(shí)就可以將石蠟換成別的熔點(diǎn)較高但是又低于石英的材料，比如錫、鋁等金屬，僅此一點(diǎn)就可以大大增加選擇性填充的靈活性，當(dāng)然，對(duì)一般的材料填充，廉價(jià)的石蠟就很足夠了；其次，由于在上面所提到的操作過(guò)程中，光纖的空氣孔大小并沒(méi)有起到影響，所以，這種方法有利于在空氣孔大小均勻的光子晶體光纖中實(shí)現(xiàn)選擇性填充，這一點(diǎn)具有非常重要的意義，因?yàn)槟壳?，更多的光子晶體光纖的空氣孔并不具有明顯的大小差異，對(duì)于這些光纖的選擇性填充，上面的哪些方法都是無(wú)能為力的；另外，這種方法還可以帶來(lái)更加靈活的選擇性填充方案，比如，我們可以進(jìn)行多步腐蝕．填充過(guò)程，可以任意一層（或者多層）空氣孔的選擇性填充，僅此一點(diǎn)就可以應(yīng)用到最新報(bào)道的液晶填充雙芯光子晶體光纖中【７－１４】，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的色散補(bǔ)償。２．３光子晶體光纖氫氟酸填充性腐蝕的研究應(yīng)用本部分內(nèi)容中，我們提出利用氫氟酸填充光子晶體光纖，進(jìn)行內(nèi)部腐蝕的方案。實(shí)際上，氫氟酸以及相關(guān)對(duì)石英光纖具有較大腐蝕性的氟酸材料己經(jīng)在光子晶體光纖領(lǐng)域有應(yīng)用，但非常有限，目前主要是用于預(yù)制棒的制備，在一些相關(guān)專(zhuān)利中有提到采用氫氟酸腐蝕掉未作耐腐蝕處理的玻璃柱，腐蝕后形成空氣孔，從而得到空氣孔的光子晶體光纖預(yù)制棒。用這種方法處理得到的預(yù)制棒具有均勻和規(guī)整的空氣孔，另外，在處理非均勻空氣孔的時(shí)候也具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)空氣孔的光子晶體光纖來(lái)說(shuō)，由于氫氟酸呈現(xiàn)液相形態(tài)，粘度很低，跟水一樣，這樣就很有利于直接填充進(jìn)入光纖空氣孔進(jìn)行內(nèi)部腐蝕，我們稱(chēng)之為填充性腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子晶體光纖空氣孔大小的控制，當(dāng)然這種控制是不可逆的。伴隨光纖拉制工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十種各種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，再結(jié)合填充技術(shù)的進(jìn)步，我們相信這方面的研究是有很大空間和應(yīng)用潛力的。２６第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用２．３．１折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的填充性腐蝕折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的纖芯是實(shí)心的，氫氟酸的填充性的直接結(jié)果首先是造成光纖包層占空比的增大，同時(shí)由于靠近纖芯的第一層空氣孔也增大了，相應(yīng)地，光子晶體光纖纖芯的面積也就減小了，在纖芯和包層結(jié)構(gòu)都被改變的情況下，纖芯基模的模式有效折射率也將被改變，從而也會(huì)帶來(lái)光子晶體光纖色散特性的變化。下面，我們首先從理論上分析這種填充性腐蝕對(duì)一般的折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖的作用，在下圖２．８所示的理論模型中，光纖的孔間距么為５．１８微米，孔直徑ｄ為２．４２微米，歸一化直徑只有０．４７?！瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛袷⑷耍辍瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛觥瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛駡D２．８折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖：孔間距人為５．１８微米，孔直徑ｄ平均為２．４２微米利用全矢量有限元方法【２－１５Ｊ，我們可以算得此時(shí)該光纖在波長(zhǎng)１５５０ｎｍ處的泄漏損耗為２．９８ｅ．３ｄＢ／ｍ，非線(xiàn)性系數(shù)為２．８８Ｗ。１ｋｍ～。隨著空氣孔的逐漸增大，包層占空比也逐漸變大，包層對(duì)纖芯基模能量的限制能力也逐漸變強(qiáng)，泄漏損耗也就開(kāi)始減小，如圖２．９．ａ。同時(shí)，我們也可以看大，損耗并不是一直減小著的，當(dāng)空氣孔增大到一定程度后，泄漏損耗將趨近于一個(gè)固定值不再改變（或者只有很小的起伏）。圖２．９．ｂ中，隨著空氣孔的增大，光子晶體光纖纖芯基模的模式有效折射率是減小的，我們相信通過(guò)這種方法可以有效地改變空氣孔光子晶體光纖光柵的諧振波長(zhǎng)位置。另一方面，由于纖芯面積也有相應(yīng)的減小，包層占空比增大，光纖基模的模場(chǎng)面積會(huì)被減小，這樣的結(jié)果就是光纖非線(xiàn)性系數(shù)的增大，如圖２．９．ａ中，當(dāng)空氣孔直徑增大到４．５微米時(shí)，１５５０ｎｍ處的非線(xiàn)性系數(shù)增大到了５．８Ｗ。１ｋｍ～。２７第二章光于晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用（ｈ）凹２１０隨著空氣孔大小的變化，光子晶體光纖的泄漏損耗、有效折射翠以及１Ｆ線(xiàn)性系數(shù)的變化（在波長(zhǎng)扣Ｉ５５岬處）臻第一章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用圖２１１氫氟酸填充性腐蝕之后的光子晶體光纖端面圖．腐蝕時(shí)間分別為６０ｓ（ａ１、１２０ｓＣｏ）和１４０ｓ（ｃ）。除了全面的填充性腐蝕之外，我們還利用了相應(yīng)的選擇性填充技術(shù)，對(duì)如２１３所示的一種高雙折射光子晶體光纖進(jìn)行了氫氟酸填充性腐蝕。我們首先采用了石蠟輔助的選擇性填充方法，在預(yù)處理過(guò)程中用石蠟將除了兩個(gè)大空氣孔之外的所有其他空氣孔都堵上，由于氫氟酸只會(huì)腐蝕石英玻璃，不會(huì)腐蝕石蠟，所以石蠟可以起到很好的密閉效果。最后，氫氟酸被選擇性地填充到兩個(gè)大空氣孔中，使得只有個(gè)別空氣孔被腐蝕增大，如圖２１４初步腐蝕的情況下，只有兩個(gè)大孔被腐蝕大Ｔ（２．１４酌，光纖的雙折射和非線(xiàn)性都會(huì)增大；接著，進(jìn)一步腐蝕之后，兩大孔和他們周?chē)】字g的孔壁被腐蝕通了（２１４ｂ），同時(shí)，纖芯進(jìn)一步變小，但是雙折射卻呈現(xiàn)現(xiàn)增大后減小的變化，因?yàn)橹鸩降?，周?chē)鷤€(gè)別小孔也被腐蝕大了：然后，氫氟酸從大孔流入周?chē)男】?，繼續(xù)腐蝕使得纖芯進(jìn)一步變細(xì)變?。ǎ玻保辞?，此時(shí)光纖呈現(xiàn)較高的飛非線(xiàn)性和雙折射：最后，在更進(jìn)一步地腐蝕下，纖芯的實(shí)心部分被完全腐蝕掉了（２１４ｄ），剩下一個(gè)空芯的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，由于薄層空氣孔占空比較小，并不具有帶隙，所以此時(shí)，光纖的空芯中也是沒(méi)有帶隙引導(dǎo)的。第二章光子品體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用圖２１３靠近纖芯有兩個(gè)大空氣孔的高取折射光了晶體光纖圈２１４兩十打孔被選擇性地填充氫氟酸進(jìn)行不同程度的腐蝕２３２光子帶隙光纖的填充性腐蝕除了對(duì)折射率引導(dǎo)型的光于品體光纖進(jìn)行氫氟酸的填充性腐蝕之外，我們同樣對(duì)光子帶隙光纖進(jìn)行了氫氟酸的填充性腐蝕，包括全面填充和選擇性填充。我們知道，對(duì)空氣孔光子帶隙光纖，一般要求光纖包層具有非常高的占空比，低占空比的情況下，即使包層結(jié)構(gòu)有帶隙，但往往帶隙也在空氣線(xiàn)之上．從而無(wú)法在光纖的空氣纖芯缺陷中形成帶隙引導(dǎo)模式。圖２１５ａ所示光于晶體光纖的包層空氣孔歸一化直徑只有０３１，根據(jù)我們通過(guò)平面波展７Ｆ，法Ｃ２”，２”】的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)光子晶體光纖包層結(jié)構(gòu)的帶隙還在空氣線(xiàn)之上，所以是幣可能在纖芯空氣孔形成帶隙引導(dǎo)的。通過(guò)氫氟酸的全面填充性腐蝕之后，光纖的包層空氣孔被全面增大，歸一化直徑被增大到了Ｏ４６，此時(shí)的包層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的光子帶隙已經(jīng)被移到空氣線(xiàn)以下，從而能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)帶隙位置的光子帶隙引導(dǎo)。盡；。歹Ｉ篝Ｌ：ｏ（曲（ｂ）國(guó)２１５氫氟酸全面填充性腐蝕前后的光子帶瞬ｃ光纖第二章光子晶體光纖的填充方法及氫氟酸的填充性腐蝕應(yīng)用另外．通過(guò)選擇性填充技術(shù)，我們也在空芯光子帶隙光纖的纖芯空氣孔中填充了氫氟酸，從而實(shí)現(xiàn)選擇性的腐蝕，如圖２１６。在填充性腐蝕之前，我們所用的光子帶隙光纖具有一個(gè)較大的纖芯空氣孔，同時(shí)由于拉制技術(shù)的原因，纖芯孔壁相當(dāng)厚，通過(guò)對(duì)纖芯的選擇性填充并腐蝕一段時(shí)間之后，我們使得纖芯空氣孔增大，同時(shí)相應(yīng)地，纖芯空氣孔的孔壁也明顯變薄了，如圖２１６ｂ。我們知道過(guò)于厚的纖芯空氣孔孔壁會(huì)嚴(yán)重影響光纖的導(dǎo)光，甚至可能會(huì)造成以折射率引導(dǎo)為主導(dǎo)的圓環(huán)形纖芯導(dǎo)光，而抑制了空氣孔的帶隙引導(dǎo)。另一方面，在最近關(guān)于光子帶隙光纖的很多理論和數(shù)值研究中，表面模對(duì)空氣孔光子帶隙光纖的導(dǎo)光表現(xiàn)出很強(qiáng)烈的干擾，比如造成色散的突變、造成損耗的增大以及避免相交效應(yīng)等等，而根據(jù)ＫＳａｉｔ