毕业设计（论文）基于光子晶体光纤的WDM系统的设计06850.doc

毕 业 设 计（论 文）题 目 基于光子晶体光纤的WDM系统的设计姓 名 余文志 学 号 0811122121 所在学院 理学院 专业班级 2008级光信1班 指导教师 成纯富 日 期 2012年 05月 22日 摘 要随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，导致全球信息传输量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM技术应运而生。在WDM系统中，理想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论研究结果表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文利用Optisystem软件对基于光子晶体光纤的WDM系统的其传输性能做了仿真研究，主要研究了以下内容：1、研究了光子晶体光纤WDM系统光源发射功率对其性能的影响，侧重研究了NRZ码型和RZ码型的光子晶体光纤WDM系统的功率特性。研究发现：对于两种调制码型在较低功率时噪声对系统的影响占主导因素，在高功率情况时非线性效应对系统的影响占主导，并确定了两种码型的最佳发射功率。2、研究了码型对光子晶体光纤WDM系统传输性能的影响。研究发现在低功率时NRZ码型比RZ码型的抗噪性能好；在高功率时RZ码型比NRZ码型的抗非线性能力强。RZ码型更适合在高速速率的长距离通信系统中使用。3、研究了传输距离对RZ码型光子晶体光纤WDM系统的影响。发现传输距离的增加，接收的信号质量严重恶化，分析发现造成传输性能的降低是由于级联结构中EDFA和积累的非线性效应引起的。同时确定其最大传输距离为850km，最佳的传输距离为700km。4、研究了色散对光子晶体光纤WDM系统的影响。发现色散和色散斜率对高速长距离的光子晶体光纤WDM系统影响十分严重，因此在设计中必须处理好色散和色散斜率的补偿问题。关键字：光子晶体光纤、WDM、Optisystem、仿真。Abstract As human society enter the information age, the demands of information continue to increase, leading to exponential growth of global information transmission amount and a higher demand on the communication network bandwidth, capacity and transfer rate, in this context，the technology of WDM comes into being. In the WDM system, the ideal fiber should have characteristics of small attenuation, appropriate dispersion, low polarization mode dispersion，large effective area and ideal bending loss. However, the conventional optical fiber is difficult to meet these requirements, which limits further improve the capacity and transfer rate of optical network. To solve this problem, people begin to study new kinds of fiber. Photonic crystal fiber studied in this article is one of them. The theoretical results show that this fiber has many excellent transmission characteristics, such as uncut-off of the single-mode, the controlled mode area, flexible dispersion properties, controllable waveguide dispersion, low loss and very low non-linear effect. As Photonic crystal fiber has such unique characteristics of transmission, which provided a good solution to the problems of transmission loss, dispersion and nonlinearity in the fiber, thus, in recent years, the study of photonic crystal fiber becomes hot point.In this article, we use Optisystem simulation software to study the transmission performance of WDM systems based on photonic crystal fiber. These studies mainly include: 1、First，we study the effect of the laser transmitting power on the transmission performance of the PCF WDM system, focusing on the power characteristics of NRZ pattern and RZ pattern. The study found: for the two modulation pattern, in the case of low-power, the impact of noise on the system is the dominant factor; in the case of high-power, the impact of nonlinear effects on the system is the dominant factor, and find the best transmitting launch power of the two patterns. 2、Secondly，we study the influence of the modulation pattern on the transmission performance of the PCF WDM system. The study found: in the case of low-power, the anti-noise performance of the NRZ pattern is better than the RZ pattern; in the case of high-power, the anti-nonlinear capability of RZ pattern is stronger than the NRZ pattern. RZ pattern is more suitable for use in high-rate and long-distance communication systems. 3、Then, we investigate the influence of the transmission distance on the RZ pattern PCF WDM system. Found that as the increase of the transmission distance, the received signal quality become badly. We found the EDFA and the accumulation of nonlinear effects are the dominant factors that cause the reduction of the transmission performance. At the same time, we find the maximum transmission distance is 850km, the best transmission distance is 700km. 4、Finally，we explore the impact of the dispersion on the PCF WDM system. Found that the impact of the dispersion and the dispersion slope on the long-distance and high-speed PCF WDM systems is very serious, so dispersion compensation issues and dispersion slope compensation issues must be addressed well in the design.Key words：Photonic crystal fiber, WDM, Optisystem, simulation.目 录摘要IXAbstractX第一章 绪论11.1 光纤通信技术发展和现状11.2 光子晶体光纤研究背景及发展21.2.1 光子晶体光纤研究背景21.2.2 光子晶体光纤的发展31.3 WDM技术发展及现状41.4 论文内容安排5第二章 光子晶体光纤62.1 光子晶体光纤的概念和分类62.2 光子晶体光纤特性82.2.1 无截止单模特性82.2.2 灵活的色散特性102.2.3 非线性特性122.2.4 弯曲损耗特性12第三章 WDM系统133.1 波分复用（WDM）技术的基本概念133.2 波分复用（WDM）技术的原理143.3 WDM系统的基本形式153.4 WDM系统的特点及优势173.5 WDM系统中存在的问题18第四章 基于光子晶体光纤的WDM系统的仿真研究194.1 Optisystem仿真软件简介194.2 光子晶体光纤 WDM仿真系统的建立224.3 发射功率对光子晶体光纤WDM传输性能的影响244.3.1 NRZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性244.3.2 RZ码型光子晶体光纤WDM系统的功率特性274.4 RZ码型和NRZ码型传输性能比较304.5 传输距离对光子晶体光纤WDM系统的影响324.6 色散对光子晶体光纤WDM系统的影响35第五章 总结和展望395.1 总结395.2 展望39致谢40参考文献41第一章 绪论 随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，各种多媒体业务和基于IP的实时/准实时业务等新兴数据业务不断涌现，导致全球信息量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术应运而生。WDM技术充分利用了单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，将不同波长的信号经波分复用器耦合到一根光纤实现多路光信号的复用传输。在WDM系统中，理想的想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。理论和实验结果都表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。本文以光子晶体光纤为研究对象，将光子晶体光纤应用于WDM系统中，并使用Optisystem软件对其传输性能做了仿真研究。1.1 光纤通信技术发展和现状1980年人类史上第一个商用光纤通信系统问市。这个光纤通信系统以波长800nm的砷化镓激光器作为光源，传输速率仅有45Mb/s，并且每隔10公里需要一个中继器增强讯号。第二代的商用光纤通信系统也在1980年代初期就发展出来，使用波长1300nm的磷砷化镓铟激光器。到了1987年，一个商用光纤通信系统的传输速率已经高达1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统的速率快了将近四十倍之多，同时传输的功率与讯号衰减的问题也有显著改善，间隔50公里才需要一个中继器增强讯号。80年代末，EDFA（掺铒光纤放大器）诞生，它的出现使得光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使了WDM系统的诞生。很快采用1550nm光源的第三代光通信系统出现了，光纤损耗也降低到0.2dB/km，同时色散位移光纤（dispersion-shifted fiber；DSF）的出现使得在1550nm光波传输时色散几乎为零，因而可将激光光谱限制在单纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，而且中继器的间隔可达到100km远。不久以后利用了光放大器（Optical Amplifier）和波分复用（Wavelength Division Multiplexing；WDM）技术的第四代高速光纤通信系统诞生，自此光纤通信系统的容量开始以每六个月增加一倍的方式大幅跃进，目前已达到1.6Tb/s，较第一代的传输速率快近10万倍1。1.2 光子晶体光纤研究背景及发展1.2.1 光子晶体光纤研究背景目前光纤通信系统常用光纤的有G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）和大有效面积光纤。G.652光纤在1310nm的色散为零，最低损耗窗口却在1550nm波段，在1550nm的色散系数约为17ps/(nm·km)。G.652光纤首先被应用于1310nm，但自从 EDFA问世以后，光纤通信已经从1310nm转到了1550nm。但是G.652光纤在1550nm的高色散限制了其传输速率，传输速率超过2.5Gbit/s时，在长距离系统中需要采用色散补偿。为了解决色散限制，人们又开发了G.653光纤。G.653光纤在1550nm具有低的损耗和色散，利用G.653光纤在1550nm传输速率能达到10Gbit/s以上。但是当WDM系统大量推广应用时发现，由于EDFA在WDM中的使用，使进入光纤的光功率有很大的提高，而导致交叉相位调制和四波混频等非线性效应出现。由于G.653光纤在1550nm窗口的色散值太小，使得在G.653光纤上工作的WDM系统受四波混频效应的影响太严重。于是人们不得不开发出G.655光纤，其工作波长为1550nm，零色散波长位于1550nm附近。当它的零色散波长小于1550nm时具有正色散值，而零色散波长大于1550nm时具有负色散值，因而可以有效地避免四波混频造成的影响。但它的主要缺点是可能产生调制不稳定现象或不能利用自相位调制来扩大色散受限传输距离。为了降低非线性效应的影响，大有效面积光纤被开发出来了，其有效面积达72，零色散点处于1510nm附近，因而在相同的光纤功率时，降低了光纤中传输的功率密度，可以有效地克服非线性效应的影响。它的主要缺点是色散斜率偏大，在长距离传输时需要采取色散补偿技术。尽管人们为了解决传统光纤的损耗、色散和非线性等问题，做了大量的努力，发明了很多新型光纤，但基于传统理论的光纤不能很好的解决上述问题，这就促使人们开始研究新型光纤传播理论。近年来光子晶体光纤的出现引起了人们的广泛关注，光子晶体光纤导光机理与传统光纤完全不同，使得光子晶体光纤与传统光纤产生了本质区别，使其具备了很多传统光纤难以达到的优越特性，使人们在解决上述问题时看到了新的希望。相对于传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输理论，并且其性能也有很大的不同。光子晶体光纤和普通单模光纤相比有以下突出的优点：第一、光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二、光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三、光子晶体光纤可通过改变结构灵活地设计色散和色散斜率；第四、光子晶体光纤具有超低损耗(<0.2dB/km)的潜力。1.2.2 光子晶体光纤的发展1996年，英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为Yb3+离子，纤芯直径15.2um，数值孔径0.11，内包层直径150um，数值孔径0.8，利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤，光纤长度为17m，获得了3.9W功率输出，斜效率21%2。2002年，日本Norihiko等人以锁模掺Er3+光纤激光器为泵浦源，结合周期极化LiNbO3，泵浦长60cm的高非线性PCF，得到波长调谐范围为0.780.90um的孤子脉冲，脉宽为55fs，所用PCF芯径为1.7um，零色散波长大约在0.69um处3。 2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器，其结构为双程后向线性腔结构，最大输出功率3.9W，斜率效率30%，实现单横模运转4。2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF，该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。2004年，清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值，所选择PCF结构参数为：空气孔间距为0.8um，空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。计算得到在1.55umPCF的色散值可以达到-2050ps/（km.nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17ps/（km.nm），可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2ps/（km.nm），从而大大缩短了色散补偿光纤的长度5。PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱，日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学Z.M.Zhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得6001000nm的超连续谱6。虽然在理论上可以推得光子晶体光纤将可以获得比现有光纤更低的损耗、更小的色散、更大的有效模面积、更低的非线性等特性，但时至今日实际制作的光子晶体光纤性能仍不及传统光纤，但经过近年来众多科研人员的不懈努力也取得了很多研究成果，我们有理由相信光子晶体光纤必将取代传统光纤。1.3 WDM技术发展及现状光纤通信技术出现不久，波分复用技术就被开发出来了。WDM（波分复用）技术是光纤通信中的一种传输技术，是指在一根光纤中同时传输多个波长的光载波信号，WDM是在光纤中实行的频分复用技术，与光纤有着不可分割的联系，目前WDM系统是在1550nm窗口实行的多波长复用技术。双波长波分复用系统（1310/1550nm）80年代在美国AT&T网中使用，速率为2×1.7Gbps。90年初，随着光电器件（高精确和稳定的波长的激光器、滤光器和光放大器）的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用技术成为可能。因此从1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了16×2.5Gbps系统，Lucent公司推出8×2.5Gbps系统。1997年以来，8波道、16波道、32波道、64波道甚至128波道WDM系统相继出现，传输速率也从20Gbps，80Gbps，320Gbps，640Gbps到1.6Tbps，国际干线、国内干线、省内干线也开始采用WDM系统。新的光缆干线选用了能适合WDM系统的新型光纤，相继出现了利用密集波分复用(DWDM)系统的改造和容量升级，国内外各大通信公司纷纷推出自己的WDM系统。到1998年，大约90的长途通信线路装用DWDM系统已达到一根光纤传输的总容量400Gbps。与此同时，光纤放大器EDFA的产品已经成熟可靠，他们能与DWDM系统联合运用，大约每隔80、100km设置一个线路中间放大站，长途线路的传输距离可达1000km。1998年12月，武汉邮电科学研究院自主开发的我国第一个具有完全自主知识产权的8×2.5Gbps的DWDM系统工程，成功地通过了信息产业部的鉴定验收，这标志着我国己成为世界上少数能够提供WDM设备商用产品的国家之一。2000年运营商引入10Gbps的DWDM系统，同时32×2.5Gbps的WDM系统，并在加紧研制8×10Gbps及32×10Gbps的WDM系统。2002年中国第一套1.6Tb/s的DWDM系统在武汉邮电科学研究院诞生。2005年，国产大容量( 80×40Gbit/s ) 传输设备在中国电信所属的上海和杭州之间的光传输线路上开通，且实现了稳定运行，表明我国在超高速率、超大容量光传输上得了全面突破，达到世界最高的商用水平。2006年6月8日，“ 我国超高速、超大容量、超长距离光通信技术研究进展”发布会在京召开。武汉邮电科学研究院在会上宣布：该院和中国电信联合承建的国家“863”计划重大科研项目“3Tnet可扩展到80×40Gbit/sDWDM传输系统设备工程化与试验”实用化工程，成功通过国家科技部验收。该系统2008年40Gbps的DWDM系统作为骨干网提升速率的技术开始实现大规模商用部署，经过近几年的发展40Gbps的DWDM商用系统已日臻成熟。随着40Gbps的DWDM系统的逐渐成熟，人们转而把研究目标转移到100Gbps的DWDM系统。光传输革新倡导者的阿尔卡特朗讯贝尔实验室在2007年就在Verizon网络中，在弗罗里大迈阿密成功开展100G信号的传送，在原40G的平台上，在504km的光缆线路上传送了100G的信号。2009年9月阿尔卡特朗讯贝尔实验室再次创造了100Petab/s-km的世界纪录，这相当于每秒钟把400部DVD传输7000km。这一纪录把目前海缆的传输容量提升了10倍7。当40G已经逐渐成为高速传输网的主要建网方式，2010年月100GE标准的通过给了100G华丽的出场，将所有人的目光都拉向了100G ，在业务的驱动下，100G正在大跨步的发展和完善，即将成为未来高速传输领域的主流技术。信息社会发展使得整个社会上的信息量正以爆炸式的速度增长，100GDWDM显然不是光通信发展的终点，当100GDWDM还未真正登上历史的舞台，单波400G乃至1Tbps的研究也早已经悄然展开 。目前我国WDM系统中普遍采用G.652光纤。由于G.652纤芯的主要成分是二氧化硅，因此其材料色散是固有的，而且二氧化硅对光波的吸收和瑞利散射是本征的，是无法避免的。目前长途高速系统选用1550nm波长，色散为1719ps/(nmkm)，中继段的色散值很大，而且系统至少要受到0.2dB/km左右的损耗。这些都限制了WDM系统地传输速率和传输中继距离。同时随着中继距离的延长，光放大器的使用，尤其是波分复用信道数的增加，使进入光纤的光功率达到5mW以上，甚至几十毫瓦。如此高的光功率使光纤的折射率改变并产生非线性，成为限制WDM系统性能的因素。正因为传统光纤存在自生难以克服的缺点，限制了WDM系统容量和传输速率的进一步提高。所以光子晶体光纤概念一经提出便引起人们的巨大兴趣，其为人们解决上述问题提供了新的办法。本文基于此，对基于光子晶体光纤的WDM系统进行了研究，并使用仿真软件对其传输性能做了仿真研究。1.4 论文内容安排本论文内容安排：本论文第一章为绪论，简单的介绍了一下光纤通信系统的发展历程，光子晶体光纤的研究背景和发展，WDM技术发展和现状。 第二章对光之晶体光纤做了全面的介绍，包概括光子晶体光纤的概念和原理、光子晶体光纤的特性。第三章系统的研究了波分复用系统，包括WDM系统的组成和原理、WDM系统的传输方式以及WDM系统存在的问题。第四章利用Optisystem软件对使用光子晶体光纤的WDM系统的传输性能进行模拟仿真。最后是结论和展望，总结本论文的主要工作，并对研究前景进行了展望。第二章 光子晶体光纤1987年，Yablonovitch8和 John9在研究如何抑制自发辐射和光子局域特性时分别独立提出了光子晶体（Photonic Crystal，PC）的概念。光子晶体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。光子晶体按照空问分布的周期性可以分为：一维、二维和三维光子晶体。如图2.1所示。其中一维光子晶体就是我们通常所说的光学多层膜，多层介质膜周期性地排列形成一维光子带隙，使某些频率范围的光子无法穿越，产生高效率的反射。在实际的应用中，二维和三维光子晶体有着更广泛的前景，因此更受到人们的重视。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率(波长、能量)处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。一些特定波长的光波可以在这个缺陷区传播。因此，光子晶体可以控制光在其中的传播行为。基于光子晶体这一特性，人们在光子晶体的基础上进一步提出了光子晶体光纤的概念。图2.1光子晶体的分类10（不同灰度代表不同折射率，箭头所示为光子带隙所在的方向）2.1 光子晶体光纤的概念和分类基于光子晶体导光机理，ST.J.Russell等人于1992首次提出光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber；PCF）的概念11。光子晶体光纤又被称为微结构光纤(Microstructured Fiber) 或多孔光纤 (Holey Fiber)。 光子晶体光纤是一种带有线缺陷的二维光子晶体，光纤包层为空气和二氧化硅的周期结构，周期常数(或叫做晶格常数、特征长度)为波长量。这种结构实际上是在二氧化硅基体中沿光纤轴向有规律地分布着许多气孔(气线)。通过适当设计气孔的位置、大小和间距，可对某一波段形成带隙。光纤纤芯是破坏了这种周期结构的缺陷，这种缺陷可以是空气，也可以是二氧化硅或其它介质。与普通光纤不同，光子晶体光纤可以仅由一种材料制成。缺陷处的折射率可以大于也可以小于包层的折射率，若为前者，则可以用等效折射率法进行处理，这种处理方法有直观、简便的优点。根据光子晶体光纤的传输原理，人们通常将光子晶体光纤分为两大类：折射率引导（TIR）光子晶体光纤和光子带隙（PBG）光子晶体光纤。折射率引导光纤的结构和导光基理如图2.2所示，其包层为规律排列的空气孔，纤芯为固体硅。折射率引导光纤与传统的光纤相似，都是利用全反射原理来导光。通过在包层中引入空气孔，降低包层的有效折射率，使得纤芯折射率大于包层折射率，其模式折射率满足>>。尤其是当包层空气比例很大时，可以看成其纤芯直接置于空气中。 图2.2折射率引导光子晶体光纤（TIR-PCF）结构及导光示意图10光子带隙光子晶体光纤的结构和导光基理如图2.3所示，光子带隙光纤导光机制与传统光纤完全不同，光子晶体光纤是利用光子带隙效应来传播光的。频率处于光子带隙内的光不能在包层中传播，所以这些频率的光耦合进纤芯后，将被限制在纤芯中，无法泄露出去，从而达到传导光的目的。其纤芯是空气孔，并且只有当纤芯的空气孔足够大时，即其直径大于气孔间距的40%时，才会有光子带隙产生。由于光子带隙效应，光波被自然地限制在了纤芯中传播，这样就会大大减小传输损耗，具有很大的实用价值。 带隙型光纤的模式折射率满足如下条件:当>/k 时, /k >>/k （2.1）当 </k 时, >>/k （2.2）其中，为光子带隙上边界对应的传播常数，为光子带隙下边界对应的传播常数12。 最初提出光子晶体光纤概念的时候，希望利用光子禁带效应来导光，但比较两种光子晶体光纤，折射率引导光子晶体光纤无论在理解或是制作上都更为简单，因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制，而且不需要精确的空气孔排列，更适合于制作，故在目前大多数的研究和应用都是针对光子晶体光纤。图2.3光子带隙光子晶体光纤（PBG-PCF）结构及导光示意图102.2 光子晶体光纤特性光子晶体光纤包层中空气孔特殊的排列结构使得其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，如支持宽波长范围单模传输，模场面积、色散的极大可控性，可控的非线性等等。这些特性突破了传统光纤光学的局限，大大拓展了光子晶体光纤的应用范围，在超快激光光学、光通信、微光电子学及强场物理学等领域开辟了新的研究方向。本节将对光子晶体光纤的特性作较全面的介绍。2.2.1 无截止单模特性众所周知，传统光纤的归一化频率V决定了模式数目，当V<2.405时光纤是单模的1。由于材料折射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的V值与波长差不多成反比，如果缩短工作波长，就出现多模化。普通单模光纤的截止波长一般大于1um。光子晶体光纤最吸引人的特点之一就是对于设计合理的光子晶体光纤来说，可以在所有频率范围内支持单模特性，这也就是所说的无休止单模特性(Endlessly single mode)，简称ESM。对于光子晶体光纤来说，只要满足空气孔足够的小，且空气孔间的中心距离之比(简称孔比率)满足一定要求(如孔比率0.2)，便具有永久单模传输特性，即这样的光纤不存在截止波长。另外，这种特性与光纤的绝对尺寸无关。不管光纤尺寸放大或缩小，仍可保持其单模传输特性。1996年英国的J.C.Knight等人13报道了具有很宽单模波长范围(至少4584550nm)的TIR-PCF，随后又提出了“无穷单模光子晶体光纤”的概念，并通过有效折射率和有效归一化频率的概念对宽范围单模特性做出了解释14。无休止单模特性的基本原理是波长决定着包层和纤芯间的有效折射率差，当波长变短时，模式电场分布更加向纤芯区集中，这样就减少了一部分光延伸入包层，从而包层的有效折射率得到提高，并且减少了折射率差，这就减轻了在普通单模光纤中当传输光的波长降低时出现多模现象的趋势。这种单模工作波段的扩展对波分复用系统增加信道数具有重要意义。这个特性已经在理论上得到了证实，对于这个性质，可以从标准阶跃型光纤的公式来理解：对于纤芯半径为，内芯和包层折射率分别为和的常规阶跃光纤，导模的数目由归一化频率V决定，有V=（）（- （2.3）当V值小于2.405时，光纤维持单模特性。根据此式，为了使V值足够小可以减小或减小纤芯和包层的折射率差。已经为um量级，减小余地有限，且会增加光纤的非线性系数和耦合难度，而大的非线性系数往往是需要避免的。因此要想增大光纤的单模波长范围应设法减小折射率差。 T. A. Birks 等人提出的光子晶体光纤的等效折射率模型14,15光子晶体光纤具有比普通单模光纤大得多的单模传输频带。对于光子晶体光纤，空气比例决定了包层的等效折射率，只要减小空气比例就可以使纤芯和包层的折射率差变小。若在没有纤芯缺陷情况下无限大的周期性光子晶体包层所能允许的最大传播常数是，则包层等效折射率可定义为14 = （2.4）进一步定义光子晶体光纤的等效 V 值为 = （2.5）其中是光子晶体光纤包层晶体的孔间距离。与式(2.3)相似，它决定了光子晶体光纤的单模条件。与普通阶跃光纤在0 时 V而导致多模不同，解标量波方程的结果表明，短波条件下光子晶体光纤中光场集中在以气孔为边界的纤芯区，波长越短，模场在含气孔的包层区的能量越小。等式(2.5)表明，的值是有限的，在短波极限情况下，它的值不直接与和相关，而是依赖于气孔孔径的相对尺寸(/)，只要孔径相对尺寸足够小就可以保持单模特性。在长波情况下，近似极限值是 = （2.6）其中，是空气折射率；F是空气填充比例，即光子晶体包层空气所占面积比例。所以，长波方向随波长增大 V 值减小，短波方向存在 V 值的有限值极限，而只要极限值小于2.405(通过减小孔径与孔间距的比值)，理论上就有全波段范围的单模特性。2.2.2 灵活的色散特性光子晶体光纤具有良好的色散性质，不像普通光纤，光子晶体光纤可以由单一材料制成，因此纤芯和包层在力学和热学上是可以做到完全匹配的，也就是说，纤芯和包层的折射率差不会由于材料的不相容性而受到限制，从而可以在很长的波长范围内得到较大的色散。 我们知道，对于普通阶跃光纤，零色散值的位移是通过调节波导色散实现的。弱导条件下的波导色散Dw与V值相关联，可表示为16 Dw=- （2.7）其中，下是单位长度的传输延时；是纤芯的群折射率；是光波在轴方向的传播常数，是纤芯材料的传播常数。考虑到光纤材料色散Dm在波长大于1.27um时为负，为了在小于1.27um的某波长处得到零色散值，根据公式(2.7)要使相应的波导色散值Dw为正，中括号以内的部分必须为负。从与V的关系曲线（图2.4）可知，对于模在V<2.405即光纤中能维持单模的条件下，与V曲线的斜率为正，且在V值小于1.4时的二阶导数为负值；虽然图2.4的二阶导数为正值，但是V值的进一步增大将导致多模传输，并且多模区的波导色