光子晶体光纤(PCF)是由石英和空气孔构成的二维周期性介电常数分布的微结构光纤,人们已经提出了一些理论方法用于其模式特征的研究。以全反射光子晶体光纤为例,将其折射率结构分解为一个纯粹的中心缺陷结构和一个完美二维光子晶体的叠加,并分别选取厄米-高斯函数和余弦函数对其周期性折射率展开;同时将横向电场分布的x,y分量用正交归一化厄米-高斯(Hermite-Gauss)函数展开。从电磁场的波动方程出发,忽略横向电场之间的耦合,根据折射率和电场的展开式,得到关于各展开系数的矩阵和模式的特征方程。特征方程中

采用基于半矢量波动方程的有限差分法研究了光子晶体光纤(PCF)的色散特性。利用中心差分格式将半矢量波动方程转化为矩阵的特征值问题,进而得到光纤的模式特征和传播常数,并对计算结果进行了分析。数值计算结果表明,半矢量的有限差分法与全矢量的有限差分法和有限元方法求解的数值结果以及测量结果吻合得很好,而比基于标量方程的有效折射率模型得到的结果更为精确,为进一步设计具有适当色散特性的光子晶体光纤提供了理论计算工具。

从基空间填充模出发,将光子晶体光纤的包层等效成均匀介质,从而将光子晶体光纤等效为阶跃折射率光纤。利用等效折射率模型,对光子晶体光纤的模式特征进行了详尽的研究,主要包括模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损耗特性、色散特性,等等。并通过功率限制因子这一参量将它与单模光纤进行比较。结果表明,光子晶体光纤单模工作波长范围比较宽,功率限制因子比较高,可用于制作更高抽运效率的光纤放大器。