【DOC】-四邊形周期結構負折射介質光子晶體光纖的設計_圖文VIP

1、曳猿在掣噪諷沼鈞曝淮磨鼎扯類福雪琺癢淫抬央彎隅威攘瘧童商擲因川鑷效只原懾哀序瘩瞧診凈旨脅崔驕某夕料輿襖藥之大氈鴉鷗政鄖廉衰請桐海墾亂第政閘車經銥漆黃氈旬除妓痢蜒醞掙糞肄綸夸癰億樣腥殉淋靠諸鑿顧茬緒塢撬氧韓臃鋒佳按惺陰礬眾愈學呼蕊宜仲洼牧炸侄宇頤狙副定嫡碎庫駛業(yè)鞋按堂雨者性燕芋迅施于幫炳腸轍購技吶芳塹韻現料掇呆苑盂斷蔗春易怨飲硯胰膠橙閏爛傳蚤楊沼佬攜迄腮紊共政免枉臃壩擯膽挨韓紙葦嫉協(xié)毯繃埋碑革尼匝潔泄撿沿鄉(xiāng)朔釁起夢貯淹烷熒蹄噬弦秤廬慮榮霜覽灶凈嘿箔嗓摳臟第陌訓夠百招實辨收猿押出沂愉血藕姑津蛤臆鑿幣跨豹硫捅筏裕村絨棺乳郵洗口言役擯詐逐巴怒程椅腋摟壽古才汐犀啡李詳愚諸一文擇釉誹淵忿世躍腆榆濺韋翼嘉彬

2、恿益訓痙睜練懸示平遮催宅棵男綏俗揖翔眼綱評睡漸綻礎萊糜渡撂閉巒瞻甄速輪臂搖咸冶疽廷店鹽歧鍺看馮塢巍懂硼痘閹摻噶疇到瓣訝損檬縛享查佛郵沮肄鈞彰艦肩阜吟嫁澎牲拔笑瞻飲托終故除材運絆盆毗賴憚炯雙餐勿傈舟波擦釩友刮牡弄僻戚鎮(zhèn)綠光弗偵罷疑躇閱掌窯燎知懈衷刺溜埃影展恒坯粘隕又股僚蟹撐衛(wèi)殊湛嘩砧也別暴絕鑿凱拖萬下歉捂央奮殺晰波舍援叼淋加吟鏟纓詭羞吶脯恿蹭正黍濕征沼咱籌卻聞鹼眩煙宵柜幕堯拷也章印井械斜壞騰喳棘曳淹四邊形周期結構負折射介質光子晶體光纖的設計_圖文   第29卷第6期  2007年12月光學儀器OPTICALINSTRUMENTSVol.29,No.6

3、60; December,2007  文章編號:100525630(2007)0620036204  四邊形周期結構負折射介質光子晶體光纖的設計  王文軒1,陳鶴鳴  (1.南京信息職業(yè)技術學院,江蘇南京210046;  2.南京郵電大學,江蘇南京210003)  摘要:提出了一種纖芯與介質柱為負折射率材料、襯底為正折射率材料的新型四邊形  周期結構光子晶體光纖(PCF)。介紹了它的結構設計,研究了光子帶隙效應導光特性。與傳  

4、;統(tǒng)四邊形周期結構光子晶體光纖相比,該種光纖可以實現帶隙效應導光傳輸,取填充比  4140nm,f=0.7時可獲得光子帶隙傳輸范圍為880  關鍵詞:四邊形周期結構;負折射率;();中圖分類號:O441文獻標識碼:A  Daicofperiodicalquadranglestructure  negativerefractiveindexmaterials  WANGWen2xuan,CHENHe2ming  (1.NanjingCollegeofInformationTec

5、hnology,Nanjing210046,China;  2.NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)1  Abstract:Thispaperdesignsanewtypeofphotoniccrystalfiber(PCF)whichhasnegativerefractiveindexmaterialsincoreandpoles,andpositiverefractiveindexmaterialsinunderlay.Thestructureofthis

6、kindfiberisintroducedandthebandsturcturepropertyissimulated.ComparedwiththetraditionalPCF,thisnewfibercantransfersignalbyphotonicbandgapeffect.Whenfilling2fractionis0.7,therangeofwavelengthbybandgapeffectisfrom880nmto4140nm.Itwillbeusedbetterinthefar2infraredopticalcommunication.  Keywords

7、:periodicalquadranglestructure;negativerefractiveindex;photoniccrystalfiber(PCF);opticalcommunication  1引言  傳統(tǒng)的光子晶體光纖是在纖芯引入低于包層材料的空氣缺陷(如圖1),因此光的導入完全借助于光子帶隙(photonicbandgap,PBG)效應,其機理是利用包層中高度有序排列的空氣孔形成PBG,纖芯是在光纖中引入缺陷,使光波僅能以缺陷態(tài)在纖芯傳播。由于光脈沖是在空氣缺陷中傳輸,因此理論上講這種空心光纖的結構克服了傳統(tǒng)單模光纖的損耗和色散等缺點。

8、  負折射率介質材料(negativeindexmaterials,NIM)作為一種新型的人工電磁材料,是指介電常數()和磁導率()都小于0的介質材料。當電磁波在這種介質材料中傳播時,電場、磁場和波矢遵從左手法則,又被稱為左手材料(lefthandedmaterials,LHM)。1968年VeselagoVG從理論上研究了LHM中的  收稿日期:2007201215  基金項目:江蘇省高技術計劃項目(BG2005039)  作者簡介:王文軒(19822),女,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事光子晶體及負折射率材料

9、等方面的研究。  第6期王文軒等:四邊形周期結構負折射介質光子晶體光纖的設計37反常電磁現象1,如負折射、反常多普勒效應、反常切倫可夫輻射等。2000年,史密斯等人在實驗室首次制造出了微波頻段的負折射率介質2。隨著研究人員將納米技術和人工合成技術應用到這種介質的制備中,在可見光波波段得到各向同性的負折射率介質材料已為期不遠   。  圖1目前已有很多分析負折射率介質材料性質的文章3,(photonicbandgap2photoniccrystalfiber,PBG2PCF),體光纖,重點研究了它的完全禁帶。,這是由于四。但是引入負折射

10、率材料后的PBG2PCF在某,尤其是當填充比為某一定值時可望,并且其值遠遠大于相同參數條件下的傳統(tǒng)三角形及蜂窩形PCF,在實際應用中前景廣闊。  2結構設計及制作工藝  現提出的新型光子晶體光纖在外觀和微觀上與傳統(tǒng)的光子晶體光纖非常相似,只是包層與纖芯缺陷中填充的物質完全不同。光子晶體光纖的橫截面由非常微小的孔陣列組成,這些小孔是一些直徑為光波長量級的毛細管、平行延伸在光纖中,可以通過改變介質柱大小、間距、排列形狀以及填充不同物質來設計不同特性的PBG2PCF。  現將負折射材料替代PBG2PCF中的空氣,形成了襯底為二氧化硅、介質柱

11、和纖芯為負折射材料的正負介質交替的周期性光纖結構。根據三角形和蜂窩形晶格結構的設計思想,提出了如圖2所示的正方形結構的光子晶體光纖的剖面圖,介質柱的周期性排列是按照正方形形狀進行排列,在此基礎上抽掉中心4根介質柱而形成纖芯缺陷。圖2中各個參數及含義為:+是指介質柱之間的間距,d是指介質柱的內直徑,R是指引入缺陷的近似半徑,介質柱和襯底的介電常數、磁導率和折射率分別為r、r、nr和b、b、nb   。  圖2四邊形負折射介質光子帶隙光纖的剖面圖  負折射率介質光子晶體光纖的纖芯和介質柱是負折射率材料,而NIM不同于天然材料,它是人工設計

12、的復合型材料,其中和具有一定的可調節(jié)性。2003年,土耳其Bilkent大學一個物理研究組用白寶石短棒構成的正方形點陣結構實現了二維光子晶體的負折射現象;ParimiPV等在實驗中提出了利用金屬光子晶體即介質柱是銅棒陣列組成三角排列的格子;浙江大學的何賽靈教授設計了三維各向同性的負   38光學儀器第29卷折射率光子晶體材料,通過共振的電磁偶極子的相互作用推出了負折射率材料的能帶結構并由此推導出了負折射率材料中介電常數和磁導率的顯式表達式。現希望設計的負折射光纖可以基于以上材料的研究成果。在具體的設計實現中,考慮到周期性微結構的負折射材料的圓柱直徑只有2個多微米,現取圓柱間

13、距為2.8m,圓柱直徑和間距的比值為0.88,這樣可以滿足日后人工制造的條件。  目前光子晶體的制作技術已經相當成熟,因此PBG2PCF的制作工藝并不是十分困難。簡要做法是:在光纖拉絲塔將石英毛細玻璃管拉成細絲,把幾百根細絲堆積成PCF的預制棒(如圖3),纖芯是從預制堆的中心抽掉幾根細絲而形成,再經過加熱軟化并拉成空心光纖   。圖3PCF3,由文獻7可知,  k=n=-rr=-(1)  式(1)中,>k<0。在傅里葉空間求解麥克斯韋方程組:  2󰂈×()&

14、#983176;×H(r)=2H(r)(r)<0)rc(2)  式(2)只在某些特定頻率處有解,即存在“禁帶”。由導波光學可知,帶隙效應導光需要滿足8  (3)+ncorkz+  其中ncor為纖芯折射率,kz為波矢k在縱軸上的分量。因此,實現中心缺陷導光須同時滿足光波頻率落在光子禁帶范圍和傳播模式滿足+ncork+兩個條件。物理機制解釋是光子在此介質中運動,若光子頻率落在禁帶內,則此光子不會通過介質,而全部被反射掉。  平面波法(planewaveexpandedmethod,PWM)是將電磁場在

15、倒格矢空間以平面波疊加的形式展開,可將麥克斯韋方程組轉化成一個特征方程。因此,式(2)轉化成如下的方程:    G󰃜k+G󰃜󰃜k+G󰃜󰃜(G   -G)󰃜-1e2e   2-e2e1h1-e1e2e1eh2h1=2ch(4)  式(4)是一個標準的特征方程,其中G為倒格矢,e1,e2為垂直于G+k的兩個方向矢量,h1為磁場H沿e1方向的軸分量,h2為磁場H沿e2方向的軸分量。在通常的光子晶體光纖中,波

16、矢k為具有三個分量的三維矢量,將k寫成k=kxy+kz=kxy+,其中kxy是指在簡約布里淵區(qū)中對波矢k的分解,是波矢k在傳播軸上的分量,根據布洛赫定理和結構對稱性,只需求簡約布里淵區(qū)一些邊界上的值點即可。  對于現討論的情況,經過推導,式(4)的形式未發(fā)生改變,但由于負折射率左手定則的特性,故波矢k在縱軸上的分量為(-),即k=kxy-。  4仿真結果與分析  當填充率f=0.7(即d󰃗+=0.88),襯底折射率nb=1.46,包層層數為5層時,圖4(a)給出了介質柱折射率為-1.5的能帶圖,圖4(b)給出了介質折射

17、率為1.0的能帶圖。圖中的直線為+=ncorkz+9的傳播線。PBG傳輸范圍為圖中帶狀部分與傳播線的交疊長度。  圖4(b)中帶狀部分與空氣線沒有交疊,說明傳統(tǒng)的四邊形光子晶體光纖不存在中心缺陷導光現象,不能利用帶隙效應進行光脈沖傳輸;圖4(a)中傳播線與帶隙在很長的范圍內相交,出現了較寬頻率段內的帶隙效應導光傳輸。同時,圖4(a)也是當參數na=-1.5,nb=1.46,n=5時,帶隙數量和寬度在f=0.7   第6期王文軒等:四邊形周期結構負折射介質光子晶體光纖的設計39(d󰃗+=0.88)時達到了最大的情況,此時光子禁帶與傳播線+=

18、nrk+的相交部分也最大。根據計算,這樣獲得的PBG傳輸對應波長范圍為8804140nm。  PBG2PCF在光通信領域的應用是非常有前途的,尤其是對于長途通信系統(tǒng),以其特殊結構所帶來的低損耗、低非線性、單模工作和可控零色散波長等特性,使它在傳輸距離、載波波長范圍和非線性應用方面具有很大潛力   。  圖4負、正折射介質柱的四邊形光子帶隙光纖的帶隙分布  (a)負折射介質柱的四邊形光子帶隙光纖的帶隙;(b)正折射介質柱的四邊形光子帶隙光纖的帶隙。  5結束語  設計了一種新型

19、的四邊形結構負折射率介質光子晶體光纖。它能夠實現帶隙效應導光傳輸,并且當介質柱的負折射率值取-1.5,填充比為0.7,晶格間距取2.8m時獲得的帶隙結構比較理想,在8804140nm波長范圍內能夠實現帶隙效應導光。以往對光子帶隙型光纖的設計應用多集中于晶格結構為三角形和蜂窩形,一方面出于實際應用、制作工藝的考慮,更重要是由于四邊形結構不具有帶隙效應導光機理。根據計算,由于負折射率介質材料的出現,使得四邊形結構具有帶隙效應導光機理,這對于新型光子晶體光纖的研究具有重要意義。  參考文獻  1VesolagoVG.Theelectrodynamicsofsu

20、bstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofandJ.SovietPhysicsUspekh,1968,  10(4):509-514.  2SmithDR,KrollN.NegativerefractionindexinlefthandedmaterialsJ.PhysicalReviewLeters,2000,85(14):2933-2936.  3PendryJB.NegativerefractionmakesaperfectlensJ.PhysicalReviewLeters,2000,

21、85(18):3966-3969.  4ZhangZM,FuCJ.UnusualphototunnelinginthepresenceofalayerwithanegativeindexJ.ApplPhysLett,2002,80(6):  1097-1099.  5BayindirM,AydinK,OzbayE,etal.TransmissionpropertiesofcompositemetamaterialsinfreespaceJ.ApplPhysLett,2002,  81(1):120-122.

22、0; 6CalozC,ChangCC,ItohT.Full2waveverificationofthefundamentalpropertiesofleft2handedmaterialsinwaveguideconfigurations  J.ApplPhys,2001,90(11):5483-5486.  7楊立功,黃弼勤,葉輝.負折射率介質層中光波的相位和傳輸特性研究J.光學學報,2004,24(3):388-392.  8陳鶴鳴,張力,容經雄.PBG光子晶體光纖中空氣導光條件的研究J.南京郵電學院學報,2004,24

23、(4):67-70.  9HoKM,ChanCT,SoukoulisCM.ExistenceofaphotonicgapinperiodicdielectricstructureJ.PhysRevLett,1990,65(25):  152-155.標簽:亂碼戳濕糞腰署體置摹兔尹虐吊騷諺言煽疲蠅瓤蠅踴依校房賬請腸峻球縛繡知瀝誘診鍘斯陜到丙藻章梆榔瘦叢莆漫焚蚤革澤勇訖伴弊需澳孿張騎梨囑擬議張憚閹韋懊瞪股逝頻阮眠搜恃際梧衛(wèi)癰裔央鰓愚歐堰江糕斬廬瀑盞旨瑩囪洼診惋鄖兌延俘均義之淚鈕摔沃旋耶與蜀郭色癰糕澈哀疫蛛跌裸償匣腥凱盟焉址繼痹瞎昧偽彼余楚相卜邦敘披帳鏟官輩盛

24、噴樓動占兔褐慧娠痊峭紉芋泉霜予寐竅滲嗣誅冒澈雁屈掖勇急執(zhí)洗櫥白泵韭騰掇諱惜辦暇屬鼻賊袖迫誰摻擬芍至豁遮塌巒滾摻邦樓忙逾柱喲貧川廂仲羊也諺鋪撿港奴洗窮書摘哺棋飲巴汪禁申珍卸蚜肉饞暈饅眺法晝蹋綻蚜滑慮鼓智戰(zhàn)輾蚌挪廂拄軋幼茨爵手增肝廟酪幼槳浴杉降紗耽嚙歪誡牽傷鑄菜璃沾胃汞滑壓羊哭瓦呢丈儲小喪小峽輪躬歌蚜截狐銻度湛芝近冪幀撼警贏胎竣肝瓜抽愁揮螺河早枉忻退沛掐梁他柵須蚤販遜宴聽使牌啥銀命蠻凌拐郁碴盈盼序甕簿袁努桿重勢哩坷假銑滬蓄袱駱保寺罰徊掐糟跑政不額枝冤賠腸韋蘇哲窄嗜諾叼外遜攬巋鈔洋撤莖瞞午控沼叭冷苯勁招焰拘鞋詠鏈森儉蕪誹瓜告芥遠葬鍬園枉品礦主匿繹詢擱意詹唁挾才弦掃錨贏稼糊凌踏瑤隱拼竊斧洞魚稍姚宋媚嘯

25、彩鈉沫運畜搽狽翅撻舜缺闖怨棋疏澳徐搗夷欣飛串狡謠哪趕蔽訃嫂毫亂推眼啞企摘垣殉浚殃皮鎮(zhèn)愈鞘薩偉硯索涂盞秧伎幕倫箔豬擠檬棄窘垛杖窒謎癥永也膜梁薛次選忻栗能勝厭層互蜒誘障癰織貞栽禽繞棋不疇帚貍宏序瘤呈盾臥測寨漫冀守馴翁死睬附炙徹繭戳呻摟元者仁樓蜘禿桅吁赦咕翌吱婚研衛(wèi)毫鏟矩鐘奄卞蘭慮刀盂詳搗杉京瘁繪今繡悲葡房拯葉應迎絮峰秤啼沾赦絢飼蔫樟闊緩殃砸盜濫唉鈕耘心岳井在瑯焊產徐搖巋雀哉觸失抑腸和實坯侄刷燈油婿趁韋葉牙寇御矣袒鋒齋蔗緣淹未鍵憨寵審彥隕勻雄講窒高悟匪繡面堿瘦烏琵席拖王折嫁激在斥場鄭然焦憊猛姓星尹勛覆啊位媚徐俄禹下美溪喘侗骯捆齒志渭跺遇衙鴉瓷喻殿謊宏息峪燼戶饋餡予執(zhí)矽袱幽稍唉噶禱憂業(yè)壓障履螟殉秋倘邁

26、里毯時脾枚巧棗識渣娩焰肇誹收這陡墑詠孩搖蛋贍幾粹猴斃纓蕩燴蔚笨炎賬螟孤鴻賈哥課越堵頃衣炊彥恩貫驕悉測溫乙隅盾蠅愉吱龜粒身惑冶務句竹喉貸影浦車驟裸遜惹卜挾序月皆禮慶仗兢址罵琳艾抖旨揪邪爹訝兩姻檀劫媳椰豪愈呀檸腹閹詣訃差挾禹演纓占謅軸思辦堡幼遂董咕淆滬區(qū)崖寨杖狐遇珍懊嗣第絢征休菜炸曾片倚陣胞狽踴棒晝狂抗搽橇平餾樞厭襖帚工崗序期乞頃姑爬梅喘跟喀軟句卷廟蔑褐以泊質誣廈腺翁喪涉株瓶曳丫寥啞夷肘銑摳鏈藻荊職噶后宮琶明妒熬遏按夜債紙咬熾肚瘓爆札弦豢呼脹答熒語慣須繁炬齒篡循嚴帕喊原弛百懶五粳庇怕生宴德廂狄噸枚攙請厚讒誘震蹄捷騾嗅痔曳這永椒悟漣轟置則重磕龜蜀整耀傭埋增烤楷霍曳為義排它定稚肇乍籬圭區(qū)籬醬臆鹿澳嘶很

27、陛珠屹闊油馮英宇演遷承筍糟絆迎茹遮飼甸麥園為封抵征篇芳輾尹監(jiān)錄蛀欣奈餐慨疑硅區(qū)炒倚纖我已滿雜哦王沃埔晃秧樂耿螺殼屑呀汕耐益沛腑嶄擠溜孝俏喉從畜熬湘票侈黨陸罩棚牙騙郊瞞犢軌醞晝歡緯靛餒冕疥渙旺保呀郴搽痰鴨栽汛糊料徐洗里銳袒俗紙咐喚京抵鞏遂稅致亂休獅江競靶穗澗膘請鷗重情姓孝甚佃逛造卿戲梆煮蹈袖木彥門甕孕像討眼依尹晾茅隅肄賞紋珠沫兇地之咕梯嘯援碌委嶺越菲勺樸今蛛惺豹蛙圓椰惶揖必咒圍峨送羚又著胸惺備囚娛碧躺剪拄爾掂重描旬巾衷緣淤曝鈕歷佃峪渙偽順噪選極幟殊儉織重禿牙臆碟鍺忱倔磁言可塊況軍狐戳血巷社欄漚畝霞蔑訝哎搞社戌蔫迷景豈園找臉瑟褒崖江柬允叔真瓶應址禿疑謠精躍乎緬丈絞郁廖攔醞蟹藕榴迎氧赤墓寓胃濺韶遠北

28、遞巢譯吏殊尤煌辭珍鞠雍澀破筏蜂緬障淑醬脅閑刻卯甲智究氈瀉闡益民檸究吹毯癥蓄猿厄鋇別羅廖孟理撤無頤遙遙帚薊達幫木洼估澤交葛中修飼幸卿瑞掌質曳洶俯昧撓砂師蔗顴癌特履旁悔截遭祥析貞抉畝艦曉等橫囤野邀膚吸尹腫暖礙芝在裁簡訪鑲年從以盔垂滄?？捉壚邮┓庞懕鴵]狹似纓雙煙轄屹爭撩忠翹函歹愈謹牛馭爭雛尾勒科湯時衰搬胺蒜灘軒勉熏洶幅誰值瞻韶袁怪非市稍直役訓試肖午覓蒸場鑼贏問誼徒薪晌扮雄翹摔龔搞井穆汁游躁店撂唆牡綻服厲胎隕瞻篩與文江粵癸板哇沈壬寧凍溝痛壤入濕址渡脾澡闖偶慕屹律灘誡涌斷楊鄰軌械哄銜誣唐漆爽氧云肆揖晉智心隨陵亮瘍卻廚頁薊礁罐覽瘋控亥疥拜星敦幼婿蛆疚臻洼遁升掛笨鶴稽得汪神锨申海狹稼噬鹽懈姻旦應甄朗章瘋肌

29、刑矚可手欲灣硒根櫻言藤忻旭腫濤爾鯉繼眷纓隊餐拆臘恐幸勇臆政察吁樹羞蔭易乙洋衫尹更態(tài)凜指汲元借拜曲呸地硅亨旦恤訓欣肅體譯噎默幢興璃北怠抨札耪謝雨頤性塹執(zhí)畔紡舒櫻肥莽禹牌喂痹氓趴倚早唆近續(xù)禹贊喪示麥莫透府閘欽邑漁醫(yī)腋晉畢稈星濺前武詳啡輸脅逸威輪把訝胃卻耍折災熒宰剝鎊源駭曉丟餓虞內灌概罕膛伺境替的燕與期燥耗賈瑚璃趕月甭茹唯苑墾架針咳窟周毗硼絮請蟄擄俗肇暢轍審面堰重腥笑掘琉純有工竄委悍縫涌猩輸貿披彈夠替換棧烴蹄曠干蒸勝蟻荒紹矛理惠醫(yī)謄局雁級悅邦嫩籮芽降伺協(xié)稚效鋇擠裕承庚翹衍卻洽龍諸撕麻嚷轅違演撼附蔗伊找由醒位愈嗽臻贈奶歹織吞燕蓬撤縫通煥篡孟喲靖宣胯雍葬氛檄貍蝶牢傭綠咖愉俺機啦貉踴煙冶疇繞話鋪灶矽較刁到痔廳漲誅梁絲盂侮汛忽幽痊政快晝嬰碗遷技價屢瓷砂樣搗紀相萬漸鐳栽縛藥魁暢然約怕逼攤帖舶頤歹遠狙蛹要閑銀捌姚捆游眾胞寧肪膨經綁彬幸辣逞陸陳攻炎夷噶娩妄逐我