光子晶体光纤

PCF的一些特性
非线性现象
减小光纤模场面积，可增强非线性 在孔中可以装载气体，也可以 效应，从而使光子晶体光纤同时具 装载低折射率液体，从而使光 有强非线性和快速响应特性。常规 子晶体光纤具有可控制的非线 光纤有效截面积在50－100μｍ量级， 性。 而光子晶体光纤可以做到1μｍ量级
PCF的一些特性
不同类型的光子晶体光纤及其应用
保偏光子晶体光纤
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热 扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过 程中差异热扩张产生压力。相反保偏光子晶 体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的 大折射率差而形成双折射现象，从而得到更 小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之间的 耦合曲率。主要用于光传感器、光纤陀螺和 干涉仪。
不同类型的光子晶体光纤及其应用
高非线性光子晶体光纤
高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性 排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传 输。通过选择相应的纤芯直径，零色散波长 可以选定在可见光和近红外波长范围 （670nm~880nm），使得这些光纤特别适合 于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源 的超连续光发生器
光子晶体光纤的制备
• 预制棒的设计和制作 • 将预制棒拉丝
光子晶体光纤的制备
预制棒的设计和制作
（1）毛细管组合法
第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构： 第二步是形成光子晶体结构，将六角形细棒按三角形或蜂 首先选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英 这种制造工艺最早由英国Southampton 大学Birks 等 窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝 棒轴线方向钻一个直径为16mm 的孔。接着将石英棒 塔上拉制成空气孔孔距为50μm 的细丝。接着再把这些细丝 人报道，他们的整个制作过程分为三步 第三步是复制堆积拉丝过程 磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝 切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直 塔上拉制成直径为0.8mm 的六角形细棒，拉丝温度在 径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。 2000℃左右。
PCF中, 存在两种截然不同的导光机 制
2、由于光总是沿着介质中折射率大的方向传 播。空气孔相当于减小了“包层”的折射率。 PBG 只在特别设计的光子晶体中才会出现, 一 般光子晶体并不都具有PBG结构, 相应的也并 非所有的PCF都利用PBG 结构导光。
PCF的一些特性 • 无休止单模特性 • 非线性现象 • 奇异的色散特性 • 易于实现多芯传输
光子晶体光纤
PCF中, 存在两种截然不同的导光机 制
1、六边形晶格结构存在完全的二维禁带, 即 在一定频率范围内光无法在横向传播; 只有在 空气孔相当大的时候（孔直径不小于孔间距 的40%）, 禁带才会出现。当该结构中引入缺 陷时就会在禁带中产生局域态, PCF 就有可能 利用这个局域态沿着光纤方向导光。
光子晶体光纤的制备
将预制棒拉丝
空气孔膨胀和拉锥技工艺 在使空气孔发生膨胀时，所采用的方法是 “高温低速法” 光子晶体光纤一端通过塌缩空气孔密封，在 光纤另一端进行充气加压。 充气加压完成后就可在拉锥机上进行加热膨 胀。 在拉锥过程中为了尽量保持光子晶体光纤的 光子晶体光纤空气孔膨胀后，改变了光子晶 截面相对比例不变形，采用的方法是“低温 体光纤空气孔直径和孔间距的大小，光纤的 快速法”。 芯径基本保持不变。
总结
奇异的色散特性
PCF可以用单一的材料制成，因此纤芯和 设计合理的PCF可获得超过-2000 ps/（nm.km） 包层可以做到完全的力学和热学匹配， 的色散值，能够很好地补偿在传统光纤中由 从而可以在非常宽的波段范围内获得较 于材料色散引起的正色散。 大或者稳定的色散。通过合理调节空气 孔的尺寸和间距，可以有效地控制波导 色散。
光子晶体光纤陀螺
不同类型的光子晶体光纤及其应用
超连续光谱发生器的光子晶体光纤
超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白 光干涉计、光相干摄像和光谱学中
大数值孔径多模光子晶体光纤 大数值孔径多模光子晶体光纤
由于实心纤芯和包层的大折射率差，使得该光纤数值 孔径比全硅多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白 炽灯或弧光灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光 的能力。主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮 度泵浦激光的传输以及光传感器中
自然界中的光子晶体
光子晶体分类
光子晶体光纤（photonic crystal fiber）的概念 最早由ST. J. Russell 等人于1992 年提出
1996年，J. C. Knight等人拉制了第一根折射率 引导光子晶体光纤。
1998年，J. C. Knight等人拉制了第一根光子带 隙光纤。
当晶体中出现缺陷，破坏了原来的周期性势 场就会在禁带中引入缺陷能级
光波在周期性电介质中传播时遵循 麦克斯韦方程
类似于半导体晶体，周期函数ε(r)会导致方程 在某些频率区间内无解，即形成光子带隙， 频率落在带隙中的电磁波将被禁止在晶体中 传播。
当向完整光子晶体中引入缺陷或杂质时，周期性被破坏 光子禁带中会出现缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子会被 局限在缺陷位置，偏离缺陷位置则光能量将迅速衰减
光子晶体光纤的制备
预制棒的设计和制作
（3）化学腐蚀法
首先，将毛细管和石英棒按照一定的结构捆扎放进套 在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材 管之内， 料，将它们按设计要求排列好并融化成型后，利用 酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔，这种方法形成 接着将捆扎好的预制棒加热使其熔结到一起，石英棒 的预制棒能拉制出结构更完美、更符合设计要求的 在熔化后会填充原来的空气间隙， 光子晶体光纤。其工艺步骤分为三步。 最后采用蚀刻工艺对相关的区域进行腐蚀，从而完成 预制棒的制作。
光子晶体
周期排列的微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
光子晶体的概念是由E. Yablonovitch和 S. John于1987年各自提出的。类比于 半导体晶体。
只有当能量E取得某些值时方程才有解，而 在某些能量值区域内方程无解，这些无解 区域就称为电子的能量带隙。
PCF的一些特性
易于实现多芯传输
一是提高了信道通信的容量 光子晶体光纤使得多芯的结构能被 精确定位且具有良好的轴向均匀性， 二是解决了单芯难以胜任的复杂 无须附加其他工艺。 通信网络、矢量弯曲传感、光纤 耦合等问题。
不同类型的光子晶体光纤及其应用
空心光子晶体光纤 空心光子晶体光纤
空心光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的 硅材料空气孔围成的空心中传输。因为只有很少 一部分光在硅材料中传输，所以相对于常规光纤 来说，材料的非线性效应明显降低，损耗也大为 减少。据预测，空心光子晶体光纤最有可能成为 下一代超低损耗传输光纤，在不久的将来，空心 光子晶体光纤将广泛应用于光传输，脉冲整形和 压缩，传感光学和非线性光学中。 目前，已开发出多种商用空心光子带隙光纤，波 长覆盖440nm~2000nm。
PCF的一条件， 空气 结构合理设计的PCF具备在所有波长上都 PCF的无休止单模特性还与绝对尺寸无关, 孔径与孔间距之比必须不大于0.2， 才具 支持单模传输的能力,即所谓的无休止单 光纤放大或缩小照样可以保持单模传输, 备无休止单模特性。空气孔较大的PCF, 模特性 这表明可以根据特定需要来设计光纤模场 将会与普通光纤一样, 在短波长区会出现 面积。 多模现象。
光子晶体光纤的制备
预制棒的设计和制作
（2）溶胶-凝胶法
该技术应用到光子晶体光纤的制造工艺中，由于不涉及 这种方法是将溶胶浇注成设计的结构使其凝胶，空 掺杂的纯石英材料的制备，应该有很可观的发展前景。 气孔结构可由适当的圆棒插入，待凝胶后移除即可 韩国三星集团公布的美国专利US6705126B2 详细介绍了该 形成。 方法的制造工艺并申请了权利保护。朗讯公司公布的美 国专利US6594429B1 也介绍了该制造工艺但未进一步申请 权利保护。