1. 研究目的与意义
近些年来,随着全球通信业务量的飞速增长,业务形式日趋多样化,高速大容量的宽带综合业务网络已成为现代通信网络的发展趋势。人们对信息量的需求不断激增,使得光网络的传输速率不断的提高,带宽持续地扩展。光纤通信技术是上个世纪出现的最具革命性的技术之一。利用玻璃光纤传递信息具有极大的传输容量，相比以往的通信方式，它具有极大的传输带宽，可以非常充裕地满足人们日益增长的通信需求。
1966年高锟博士首次提出利用介质光导纤维以光载波传输信息以来，奠定了光纤通信的理论基础；1970年，美国康宁公司首次拉制出损耗为20db/km的光纤，展现出光纤通信技术发展的美好前景；20世纪90年代，随着掺铒光纤放大器(edfa)的实用化，推动了波分复用(wdm)技术的实用化，光纤通信技术正朝着超高速、大容量通信系统发展。现代通信技术的发展向光纤系统提出了更高的要求——高速率、大容量、超长距离传输，这就要求新技术的出现以解决传统光纤系统中出现的色散、折射以及非线性等问题。1992年，s.t.j. russell等人将光子晶体的概念引入到光纤中，提出了光子晶体光纤的概念(photonic crystal fibers，简称 pcf)，又称多孔光纤(holey fiber)或微结构光纤(micro-structured fiber)，是在石英光纤中沿光纤轴向有规律排列着的空气孔。自从1996年英国 bath 大学的j.c.knight研制出第一根光子晶体光纤以来，由于其特殊的包层结构使其呈现出一系列传统光纤无法比拟的特性，如极宽谱带内的单模传输、可控的色散特性、强烈的非线性效应、强双折射效应等。在非线性光学等领域有着潜在的应用前景，如：频率变换、色散补偿、超连续谱的产生等。这些特性使其在克服传统光纤发展中遇到的一些技术障碍提供了可能的解决途径，显示出巨大的发展潜力和应用前景，它不仅有可能成为性能优越的新一代光通信传输媒质,而且可以用来制作各种前所未有的、新奇的光电子器件,其应用领域不断扩大,并己迅速成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的前沿热点。
光子晶体光纤独特的结构特征使其可以克服传统的光纤光学的一系列限制，在非传输型特种光纤领域具有传统光纤难以比拟的优越性能。特别是为研究光纤的色散和非线性带来了一种全新的波导。光子晶体光纤由于可实现的折射率调制大，定制折射率分布灵活，因而具有极强的色散可特性。研究光子晶体光纤的色散和非线性特性对于设计基于光子晶体光纤各种色散和非线性效应原理的全光纤器件有着重要的指导意义。
2. 研究内容和预期目标
本文提出了一种新的结构,在第一圈小孔之间再加入六个小孔。加上这六个小孔后,可以把光波更好地约束在芯区,增大光纤的非线性;同时这六个小孔会对光纤的色散特性产生较大的影响,可以调节它们的大小来达到宽带色散平坦的目的。为了设计高非线性色散平坦光子晶体光纤,固定光纤包层的孔间距Λ,外围的空气孔大小d也固定在一个比较大的值。可以调节的量是第一圈小孔直径d1,新加的小孔直径dr,由于第三圈小孔的改变对光纤的非线性影响很小,因此还可以改变第三圈小孔的直径d3来调节色散,这样使得宽带色散平坦化的同时不会影响光纤的非线性。通过这些结构参量的调节最后使得宽带色散平坦,并且保持有效模场面积较小,因而非线性系数较大。
在光子晶体光纤的设计过程中,非线性系数和色散值是一对矛盾的量,如果仅考虑提高光子晶体光纤的非线性系数,就会导致色散值大且起伏也大;如果只考虑减小色散值且让其色散值平坦,非线性系数就很小。为了更好地反应光子晶体光纤的非线性和色散特性,定义品质因子δ,δ越小,光纤的色散就越平坦,非线性系数就越大。
本文拟运用光束传播法建立光纤结构模型并用其来对光子晶体光纤的色散特性与其结构参数的关系进行分析，然后运用平面波展开法对光子晶体光纤的非线性系数与其结构参数的关系进行分析，通过不断对结构参数进行改变，计算色散系数和非线性系数，找出能够使色散特性和非线性特性结合的很好的结构参数。目前性能较好的模拟软件为光通信软件提供商rsoft设计公司开发的rsoft软件包，本文中利用该软件来辅助完成高非线性色散平坦的光子晶体光纤的结构设计与分析。
3. 研究的方法与步骤
本文拟运用光束传播法对光子晶体光纤的色散特性与其结构参数的关系进行分析，然后运用平面波展开法对光子晶体光纤的非线性系数与其结构参数的关系进行分析。
光束传播法实质上是用来近似求解波动方程的一种特殊的近似方法，它用于单色波和标量场求解。在典型的标量场传播问题中，场量的相位变化是最快的，假设光沿着z轴传播，则场量可以用缓变场来简化表示，把简化表达式代入单色波的亥姆霍兹方程，在近轴情况下进一步简化方程得到三维空间基本的bpm方程。如果给定一个输入场，则可以由该基本方程决定z0时的场解。bpm方法简单，易于理解，而且是一种非常有效的方法，可用于各种复杂几何结构光学器件的设计和特性模拟，可以对传导模和辐射模分布和色散特性进行模拟，还可以对它们的耦合和转换进行模拟。但是这种方法比较适用于标量场的近轴模拟，对于矢量场和大入射角的情况需要一些改进。
平面波展开法是将maxwell方程组中的用平面波展开，模场分解为平面波分量的叠加，考虑 pcf 复杂的包层结构，同时将折射率按傅里叶级数展开，并将以上分解代入电磁场的全矢量方程，通过求解本征值问题得到模式和相应的传播常数，得到光纤的模场分布和模式有效折射率等，这种方法的优点是:没有引入假设条件，可以精确模拟 pcf，为频带的结构计算提供了一个稳定可靠的算法；编程简单，可以借助现有算法库中的傅里叶变换、矩阵对角化等标准程序。缺点是：当介电常数ε是频率ω的函数时，没有确定的本征方程，计算过程会变得较为复杂与困难：而且当模场向包层区扩展较多时，可能导致需要采用较大的超晶格子，需要极大的计算量。
4. 参考文献
[1] saitoh k，koshibam. highly nonlinear dispersion-flattened photonic crystal fibers forsupercontinuum generation in a telecommunication window[j]. opt. express，2004，12(10):2027-2032.
[2] martin-lopez,abrardil,corrdera p,etal. spectrally-bounded continuous-wave supercontinuum generation in a fiberwith two zero-dispersion wavelengths[j] . opt. express,2008,16(9):6745-6755.
[3] travers j c,rulkov a b, cu mberlandb a, et al. visible supercontinuum
5. 计划与进度安排
（1）3月1日至3月7日(第1周)：根据任务书，明确设计的内容和目的，查阅相关文献。
（2）3月8日至3月14日（第2周）：根据阅读的资料文献初步了解设计的原理以及实现的方法。
（3）3月15日至3月21日（第3周）：进一步熟悉相关理论并完成外文翻译。
