第19讲—光子晶体光纤
光子晶体光纤
光子晶体光纤摘要光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构, 落在光子带隙中的光不能传播。
由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。
光子晶体光纤（POF）与普通光纤在光纤结构单模特性色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。
光子晶体的制备是发展光子晶体的关键, 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。
本文阐述了光子晶体的概念及其特性并简要分析了PCF的原理及其重要特性应用价值。
关键词：光子晶体；光纤；光子晶体光纤（PCF）；非线性Photonic crystal fiberA bstract Photonic crystals are materials with regular periodicity of dielectric structures, which can create a range of forbidden frequencies called photonic bandgap. Photons with energies lying in the bandgap cannot propagate through the medium. Moreover, photonic crystals have the ability to m an ipulate, confine and control light, thus provide the opportunities to shape and mould the flow o f light for photonic communication technology and photonic computer. In present, the preparation of photonic crystals, especially those in visible or near infrared region, is the key to the development of photonic crystals. In this paper, the conception and characteristics of photonic crystal are described at first, and then the research in experiment and application are introduced respectively.Keyword：photonic crystal；optical fiber；photonic crystal fiber （PCF）; nonlinerital光学晶体的基本原理：1、什么是光学晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。
光子晶体光纤通讯提供更快的传输速度
光子晶体光纤通讯提供更快的传输速度在当今数字时代，通讯技术的发展对人类生活产生了深远的影响。
无论是个人交流、商业往来还是科学研究，都离不开高速、稳定的通信网络。
近年来，光子晶体光纤通信技术的出现，为我们提供了更快的传输速度和更可靠的通信质量。
光子晶体光纤通信是一种基于光传输的技术，它利用光信号携带信息，并通过特殊的纤维材料传输光信号。
相较于传统的金属导线和标准光纤，光子晶体光纤具有更高的带宽、更低的传输损耗和更大的传输距离。
这一技术的突破为人们提供了突破性的通信体验。
首先，光子晶体光纤通信在传输速度方面具备明显的优势。
传统的通信方式主要依赖于电信号的传输，而光子晶体光纤通过光信号的传输，极大地提升了传输速度。
由于光信号的传输速度是电信号的数倍甚至数十倍，使用光子晶体光纤进行通信能够极大地提升数据传输的效率。
对于大数据传输、高清视频会议等高带宽需求场景而言，光子晶体光纤通信技术能够有效地满足快速传输的需求。
其次，光子晶体光纤通信在传输损耗方面表现出色。
在传统的金属导线和标准光纤中，随着信号的传输距离增加，信号的衰减和损耗也会增加。
这导致通信质量的下降，信号的质量和可靠性受到影响。
而光子晶体光纤技术有效地克服了这一问题。
由于光子晶体光纤的结构和特性，光信号在传输过程中衰减和损耗更小，能够更远距离地传输信息，保持较高的通信质量。
此外，光子晶体光纤通信还具备更大的传输距离。
传统光纤的传输距离受制于光信号的衰减和损耗，使得通信距离有限。
而光子晶体光纤利用特殊的结构和材料，能够有效地减少信号的衰减和损耗，从而实现更远距离的传输。
这在国际间的长距离通信和海底光缆的布设上具有巨大的潜力和应用前景。
随着信息技术的迅猛发展和应用的普及，光子晶体光纤通信技术在未来具有广阔的应用前景。
它将为人们带来更快的网速、更稳定的通信质量，进一步促进科技创新、经济发展和社会进步。
例如，在云计算、物联网和人工智能等新兴领域需求巨大的数据传输中，光子晶体光纤通信技术的快速传输特性将为数据中心和云服务提供商提供更高效的解决方案。
光子晶体和光子晶体光纤
[ 2 2 2m
V (r)]
Ee
（1-2）
式中，V(r)=V(r+Rn)，ħ为普朗克常数，Ee为电子的 能量，在周期性势场中只能取本征值。
光子晶体
Power point
光子帯隙的产生：
可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周 期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，ɛ0ω2/c2也 只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从 而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。
Power point
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
NA (nc2o nc2l )1/ 2
NA>0.8
高数值孔径内包层光纤晶体光纤，可以使在包层孔径不 大的情况下，接受更多的泵浦光，即使泵浦光耦合更容 易。因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比，这有利于改善泵浦光的吸收效率（容易耦合）。
对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，
有
r
r
kn
光子晶体
光子帯隙的产生：
可将相对介电常数写为两个部分之和：
平均介电常数
和变动介电常数
' r
则有：
k 2
r r '
2
c2
代入波动方程，可得：
2
E
r
2
c2
' r
E r
2
c2
r
E r
Power point
光子晶体
Power point
Power point
光子晶体光纤
光子晶体光纤的主要特性
a.无截止单模特性 b.可控的色散特性 c.良好的非线性效应 d.优异的双折射特性
光子晶体光纤 (PCF)
•
2. 光子晶体波导
• 传统的介电波导可以支持直线传播光，但在拐角处会损失能量 • 光子晶体波导不仅对直线路径，而且对转角都有很高的效率 • 这对于光学器件的集成非常有意义
3. 光子晶体微腔
• 在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态 • 这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子，这种光子晶体制成 的微腔比传统的微腔优异得多 • 用它制作的微腔激光器的体积可以非常小
2.1 特性
• 将光纤和光子晶体的特性相结合，可以得到传统光纤达不到的一 系列独特性质 • 具有非常严格的设计原则：
• 为了得到单模运转，要受到限定芯径，模的截止波长，有限的材料选择 （芯材玻璃与包层材玻璃的热特性必须相同）等方面的限制
• 有两个基本特性与传统光纤十分不同
两个基本特性
1. 微结构的二维特性
• PCF的色散控制
• 由于石英和空气的折射率对比度很大，气孔的大小和排列方式可以灵活地变化，和普 通光纤相比，PCF能够在更大的范围内对色散进行控制 • 例如，小心控制光纤中的气孔大小和空间距离，可设计出令人惊异的色散曲线，使光 纤在通信频带中几百纳米波长范围内，色散D<0.5ps/(nm· km)，从而大大减小由色散造 成的脉冲展宽
光子晶体光纤 (PCF)
主要内容
• 光子晶体
• 结构 • 原理：光子带隙基础 • 优点
• 光子晶体光纤（PCF） • PCF激光器
1 光子晶体
• E. Yablonovitch 和 S.John 在1987年分别独立地提出了光子晶体的概念 • 光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列形成的人工结构。所谓晶体就是针 对这种“周期性”而言的。 • 根据“周期性”的维数，光子晶体也分为一维、二维和三维的
光子晶体光纤简介
光子晶体光纤
杨莹 物理系光学专业
光子பைடு நூலகம்体
光子晶体就是通过人工制造方法，使其制作 的晶体材料具有类似于半导体硅和其它半导体中 相邻原子所具备的周期性结构，只不过光子晶体 的周期性结构的尺度远比电子禁带晶体的大，其 大小为波长的数量级。例如，在硅和其它半导体 中，相邻原子间的距离约为0.25nm，而光子晶体 的周期结构的间距远大于0.25nm，约几百纳米， 其具体数值决定于光的波长。一种典型的光子晶 体，其结构是钻有许多柱形孔的特殊玻璃。圆柱 形空气孔紧密排列，孔距为数百纳米，这些圆柱 形空气孔类似于半导体的原子。
钻有许多圆柱形空气孔的玻璃的截面图
如果破坏光子晶体的周期性结构，使光子晶体成 为不完全的光子禁带晶体，这种不完全的光子晶 体非常有用。光子晶体光纤是不完全光子晶体的 重要应用。 光子晶体光纤的制作方法和普通光纤一样，也是 用肉眼可见的预制棒玻璃拉制而成。主要差别在 于预制玻璃棒的横截面结构，拉制光子晶体光纤 的预制棒是一束紧密排列的石英毛细管。这种有 小气孔的二维“晶体”在纤维中从头至尾延伸， 多次复制这种石英毛细管的排列，便可拉制出符 合要求的孔距的光子晶体光纤。
采用堆积石英毛细管方法拉制光子晶体光纤示意图
以英国Bath大学研制的全内反射光子晶体光纤为例，说明 其制作过程。 第一步：选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英 棒轴线方向钻一个直径为16mm的孔。接着将石英棒磨成一 个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制 成直径为0.8mm的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。 第二步：将六角形细棒按三角形或蜂窝形结构堆积起来形 成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝塔上拉制成空气 孔孔距为50um的细丝。接着再把这些细丝切断并再次堆积 成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直径完全相同的实 芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。 第三步：复制堆积拉丝过程，最终拉制成2um空气孔孔距 的光纤。在这多次的拉制过程中细棒堆熔合在一起，同时 棒间距不断缩减。
光子晶体光纤
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光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列 方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器 件提供了可能。
概念提出
概念提出
光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。 其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构 （它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs）， 这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维 光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导； 相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这 些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs），实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIRPCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这 些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传 播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBGPCFs）只是在近期才得到实验证明。
光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。 在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列 不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特 殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用, 利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以 很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光 子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料,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,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合 设计要求的光子晶体光纤。
光子晶体光纤的发展与应用
光子晶体光纤的发展与应用光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种新型的光纤，由具有周期性的介质微结构构成，可以用来传输光信号和进行光信号的调制、扩展等。
它具有良好的传输性能和调控特性，在通信、传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的发展可以追溯到1996年，当时英国剑桥大学的C. M. Smith等人首次提出了这种新型光纤的概念。
相对于传统的光纤，光子晶体光纤在纵向和横向两个维度上都具有周期性的介质微结构，这使得光子晶体光纤具有许多优良的特性。
首先，光子晶体光纤具有良好的传输性能。
传统的光纤通常采用全反射的方式传输光信号，而光子晶体光纤利用光的衍射效应和光的禁带效应进行光信号的传输。
这使得光子晶体光纤的传输损耗更低，带宽更大，可以实现更高的传输速率和更长的传输距离。
其次，光子晶体光纤具有灵活的调控特性。
由于光子晶体光纤的结构可以通过微纳加工技术进行设计和调控，可以根据具体需求设计出具有不同特性的光纤。
例如，可以调控光子晶体光纤的色散特性，使其具有超宽带特性；可以调控光子晶体光纤的非线性特性，实现光子晶体光纤激光器等各种光学器件。
最后，光子晶体光纤可以应用于多个领域。
在通信领域，光子晶体光纤可以用于高速光通信、光纤传感等应用，可以提高传输速率和传输距离，实现更高效的光通信系统。
在传感领域，光子晶体光纤可以用于温度、压力、形变等参数的测量，具有高灵敏度、实时性和高精度等优点。
此外，光子晶体光纤还可以应用于激光器、光谱分析和生物医学等领域。
光子晶体光纤的应用前景广阔，但目前仍面临一些挑战。
首先，光子晶体光纤的制备技术还比较复杂和昂贵，需要进一步改进和优化。
其次，光子晶体光纤在大尺寸和多芯结构上的制备仍存在一定的困难。
此外，光子晶体光纤在非线性效应和色散补偿等方面的研究还不够深入和完善。
总之，光子晶体光纤具有良好的传输性能和调控特性，具有广泛的应用前景。
随着制备技术的不断发展和改进，光子晶体光纤将会在通信、传感、激光器等领域得到更广泛的应用，为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF）.光纤的种类：光纤按光在物质中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤多模光纤传输的距离比较近，光纤一般只有几公里。
单模光纤只能传一种模式的光，其模间色散很小，适用于远程通讯。
多孔光纤是一种全新的工艺技术。
自从1996年第一根多孔光纤诞生以来，就受到了广泛关注，并于近几年取得了许多极有价值的成果。
多孔光纤包括两种材料:一种材料为透明的固体——通常为玻璃，另一种材料为空气——沿着光纤长度的方向填充在孔中。
多孔光纤的制作方法是:将玻璃管紧密捆扎成一束进行拉丝制成光纤，具有截面成蜂窝状，在石英玻璃中有许多空孔呈周期性存在的结构。
多孔光纤分为两类:光子晶体光纤和光子带隙光纤。
光子晶体（photonic crystal）的概念于1987年提出，1991年制造出世界上第一根光子晶体光纤。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称为微结构光纤（micro-structured fiber）或中空光纤光子晶体（photonic crystal）是由一种单一介质构成，并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。
光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，它受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。
90年代后光子晶体光纤(PCF)被日益关注，它的分类，独特的性能，制备方法和潜在的应用先后被提出。
光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。
光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体中的晶格，实际上这些小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤中。
光子晶体光纤(PCF)的纤芯是固体芯，芯外为包层，包层内含有一定数量的沿光纤长度方向延伸的空孔(见图1)。
包层为光子带隙材料，它的平均折射率低于纤芯。
多孔包层的有效折射率随波长而发生变化，且与孔的尺寸和间隔有关。
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3个突出的优点：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，光子晶体光纤可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展一、本文概述光子晶体光纤，作为一种具有独特光学性质的新型光纤，近年来在光通信、光电子、生物医学等领域引起了广泛关注。
本文旨在全面介绍光子晶体光纤的原理、应用以及研究进展，以期为读者提供深入的理解和前沿的科研动态。
我们将概述光子晶体光纤的基本结构和光学特性，阐述其与传统光纤的区别和优势。
我们将详细介绍光子晶体光纤在光通信、光电子器件、生物医学成像等领域的应用实例，展示其在这些领域的独特作用和价值。
我们将总结当前光子晶体光纤研究的热点问题和发展趋势，以期为相关领域的研究者提供有价值的参考。
二、光子晶体光纤的基本原理光子晶体光纤，也被称为微结构光纤或空芯光纤，其基本原理主要基于光子带隙效应和光子局域化。
这种光纤的核心结构由周期性排列的空气孔组成，形成了一种类似于晶体的结构，因此得名光子晶体。
光子带隙效应是指，在特定频率范围内，光波在光子晶体中传播时，由于受到晶体结构的影响，某些频率的光波被禁止传播，形成所谓的“光子带隙”。
这种效应使得光子晶体光纤具有独特的传输特性，例如低损耗、高带宽等。
光子局域化则是指，当光波在光子晶体中传播时，受到晶体结构的影响，光波的能量被局限在某一特定区域内，形成所谓的“光子局域态”。
这种效应使得光子晶体光纤能够实现光波的高效传输和控制。
在光子晶体光纤中，光波主要在空气孔中传播，而非传统的光纤中的玻璃介质。
这种特殊的传输方式使得光子晶体光纤具有许多独特的性质，例如低损耗、高带宽、抗弯曲、耐高温等。
由于光子晶体光纤的结构灵活性，可以通过改变空气孔的大小、形状和排列方式等，实现对光波传输特性的精确调控，进一步拓展其应用范围。
光子晶体光纤的基本原理是基于光子带隙效应和光子局域化，通过特殊的结构设计实现光波的高效传输和控制。
这种光纤具有许多独特的性质和应用前景，是光通信领域的重要研究方向之一。
三、光子晶体光纤的应用领域光子晶体光纤作为一种独特的光传输媒介，其应用领域广泛而深远。
光子晶体光纤
光子晶体光纤摘要：光子晶体光纤由于其特殊的周期性结构，区别于传统的光纤，而具有无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的热门课题。
本文主要介绍光子晶体光纤的基础知识，并介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟仿真光子晶体光纤中传输时各种模式的场分布以及有效折射率。
为以后的进一步研究打下基础。
关键词：光子晶体光纤COMSOL Multiphysics一光子晶体与光子晶体光纤1.1 光子晶体光子晶体是一种折射率变化周期为光波长量级的具有光子禁带的人工材料。
最早的光子带隙思想由E.Yablonovitch和S.John提出。
当电磁波在光子晶体中传播时，具有透射、反射和折射，电磁波受到电子周期性布拉格散射的调制，形成类似于电子的能带结构，我们称之为光子能带。
在晶格常数与介电常数的比值取值适当的情况下，光子能带与电子能带相似。
光子能带间可能存在禁止某些频率电磁波的频率区域，我们将这些频率区域命名为光子带隙，这是光子晶体最根本的特征。
因此人们又将光子晶体称为光子带隙材料。
光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。
如图1所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在。
高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。
而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。
如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。
如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。
光子晶体光纤设计与全解
光子晶体光纤设计与分析摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。
光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。
这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。
由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。
关键词：PCF原理结构分析制备特性应用正文：一.PCF的导光原理按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
1.1折射率导光机理周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。
1.2光子能隙导光机理理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。
如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。
当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。
最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。
空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。
虽然在空芯PCF 中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
二．PCF的结构与制作PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。
根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。
实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。
光子晶体光纤
学习汇报
主要内容：
光子晶体简介 两种不同导光机制的光子晶体光纤介绍 光子晶体光纤的制备
光子晶体 (photonic crystal)
光子晶体是在光波长量级（微米、亚微米）上折射 率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围 内的光子态密度大大降低，甚至完全形成光子禁带。 光子晶体自20世纪80年代提出来，相关理论和技 术得到了迅速发展，其中光子晶体光纤在通讯、传 感技术、光谱分析及医学上的应用都深具潜力。
◆ 蜂窝状PBG光纤：蜂窝结构的包层相对于 三角形结构来说，可以以更小尺寸的空气孔 获得光子带隙。其特点是，能量场只集中在 硅材料区域，并且非线性耦合系数相当大。
◆ 空心PBG光纤：这种结构决定了光波更容 易注入光纤，导入光与纤芯材料相互作用受 到抑制。传递功率大幅提高且无色散效应。
◆ 高折射率棒PBG光纤：空心孔的位置由高 折射率材料代替。光线中心的硅缺陷现在形 成了低折射率的纤芯，通过光子禁带效应捕 获导摸，将光波限制在其中。大大降低耦合 损耗。
第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构：首先 选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英棒轴线 方向钻一个直径为16mm 的孔。接着将石英棒磨成一个 正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝塔上拉制 成直径为0.8mm 的六角形细棒，拉丝温度在2000℃左右。 第二步是形成光子晶体结构：将六角形细棒按三角形或蜂 窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝 塔上拉制成空气孔孔距为50μm 的细丝。接着再把这些细 丝切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根 直径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。 第三步是复制堆积拉丝过程
二维光子晶 体的两种常 用结构
光子晶体光纤制备原理
光子晶体光纤制备原理
光子晶体光纤的制备原理基于光子晶体的概念。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质，能够控制光的传播。
在光子晶体光纤中，包层由规则排列的空气孔构成，这些空气孔的排列方式决定了光的导光特性。
光纤的核心则由破坏包层结构周期性的缺陷构成，这个缺陷可以是固体硅，也可以是空气孔。
对于核心为空气孔的情况，光的导光机制主要是布拉格衍射。
当一定波长的光通过作为包层的二维光子晶体时，光被陷获在作为核心的空气孔中，并通过布拉格衍射实现光的传输。
这种光子晶体光纤的导光机制使光纤设计更灵活，因为光子带隙条件只依赖于包层的性质，纤芯折射率可以自由选择，从而将光波限制在空纤芯中。
对于核心为固体硅的情况，包层不存在光子带隙，其有效折射率是硅和空气的体平均，小于核心硅的折射率。
因此，这种光纤的导光机制是全内反射。
只要满足全反射的条件，光完全可以局限在“纤芯”范围内传播。
与全内反射光纤相比，光子带隙导向给予了额外的自由度。
光子晶体光纤的制备过程涉及复杂的微纳加工技术。
首先，制备出一簇细小的毛细管，并使其周期性排列。
然后，通过特定的技术将这些毛细管组装起
来，形成光子晶体光纤的结构。
这种光纤具有优良的传输特性，因此在全球范围内受到了广泛的关注和应用。
光子晶体光纤简介及原理
光子晶体光纤简介及原理中文摘要: 光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。
例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。
中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications.英文关键字: photonic-crystal fiber光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，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。
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其特点是具有非常高的光学非线性度。
与传统光纤相比，光子晶体光纤具有更小的模式半径、更高的非线性度和更高的光学效率。
光子晶体光纤由多层氧化铝锗（Al2O3:Er3+）或氧化铝镱（Al2O3:Yb3+）组成。
这些材料具有非常高的非线性度，因此可以用来实现光纤中的非线性光学效应。
光子晶体光纤在通信、光学传感、光学计算、光学检测、光学成像等领域有着广泛的应用前景。
光子晶体光纤的主要缺点是其高成本,另外长度也有限制，一般在几厘米到数十厘米的范围内。
光子晶体光纤传感系统
f
S f
h Sh
(3.28)
式中：S表示基模和高阶模光的应力灵敏度；△ε是
应力漂移量
光子晶体光纤传感系统
令设布拉格波长漂移量之差为：
f h (S f S h )
在本系统条件下，
k 2 (1.2 l) k,l为常量
(3.29) (3.30)
光子晶体光纤传感系统
通过(3.30)式由布拉格波长漂移量计算出应力漂
dn n
nc2o 2
[ p12
v( p11
p12 )]
(3.23)
式中p11和p12为弹光系数,v为泊松比，由3.22,3.23可 有，
式中aε为db光b 栅{1基 模n2c2o 与[ p1基2 模v( p耦11 合p1时2)]}反 射a谱的(3谐.2振4)波长
变化与应力的关系系数。
光子晶体光纤传感系统
j [vz vz z 0 0 0]T (3.13)
P11 P12 P13 0 0 0
P12
P11
P12
0
0
0
Pij
P13 0
P12 0
P11 0
0 P44
0 0
0
0
0 0 0 0 0 0 0 0
v是纤芯材料泊松比，
P44
0
0 P44
(3.14)
光子晶体光纤传感系统
对于各向同性的材料，P44=(P11-P12)/2，于剪切应力 的存在，故考虑弹光张量中i，j=1，2，3的矩阵元
Rn 为晶格矢量
频率为ω的光在介电常数作周期性变化的介质
中传播时，它的电矢量所满足的麦克斯韦方程：
(1.2) 2 E
(
•
E)
2 c2
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国家工程实验室
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折射率导光型PCF无截止单模特性
πD 2 2 V= nco − ncl λ
当λ减小，ncl变大,
� 导光基本原理：PCF中空气孔排列组 成的光纤包层的有效折射率低于纤芯 的折射率，而光总是趋向存在于高折 射率材料中，因此光波可以被束缚在 2013年2-4月 3/20 芯层里。
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光子带隙导光PCF的传感特性
� 空芯光子带隙PCF在传感上也有类似于实芯PCF一样的应 用。 � 折射率导光PCF可依靠孔洞内的消逝场来探测气体或液 体，对于光子带隙光纤由于被探测气体或液体可以直接进 入导光的空芯里，所以光子带隙PCF的在探测效率以及反 应时间上更有优势。
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/20 20 20/20
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堆积法拉制备光子晶体光纤
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/20 15 15/20
2013年2-4月
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PBG-PCF的模式分布
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/20 12 12/20
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气体和液体探测
光子晶体光纤气体检测实验方案
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1870年
1870+年
1956年
发 展 历 史
John Tyndall
E. Curtiss
Glass rod light guide
Cladded optical fiber
1996年
1996年
silica air
P. Russell et al.
silica air
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Solid-core photonic crystal fiber2/20
2013年2-4月
放大的电磁场与附着在孔洞内壁被探测 物质继而产生很明显的拉曼非线性效应 在输出频谱上出现的新的拉曼谱线 可用来确定被探测物质的化学成份 生物分子检测 癌症检测等
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钻孔法制备塑料光子PCF预制棒
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/20 16 16/20
2013年2-4月
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折射率导光型PCF的传感特性
� 源于多孔微结构的存在，PCF最初被认为是探测气体或液 体的理想波导结构。当气体或液体扩散到折射率导光型 PCF的孔洞里时，会通过孔洞内的消逝场与光纤模式发生 反应。通过测量气体或液体对光的吸收而发生的模场损 耗，可以进行气体或液体探测。不过这种的探测方法也存 在一些缺陷，其中之一就是任何一种气体或液体都需要一 段时间来充分扩散到PCF微米量级的孔洞内，从而影响了 探测的反应时间。 � PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS ）来对一些物质进行探测 。
乙炔气体吸收谱
2013年2-4月
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增强拉曼效应（SERS）
PCF的孔洞内壁被镀上一层金属膜 （常用为金、银）或金属颗粒
孔洞内壁的光场会因为金属膜或颗粒 支持表面等离子波的缘故被大幅度放大
2013年2-4月
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PBG-PCF导光机理
应用光子晶体理论可 以直接求得包层周期 性微结构的光子能带 及带隙 对某一特定传播常数β 或者neff，如果光的频 率或者波长（对应光子 能量）位于包层微结构 的光子带隙之中，则光 就受该包层排斥，因此 光将被局限在芯层中并 在芯层中传播
Air-guiding photonic crystal fiber
2013年2-4月
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光子晶体光纤 vs 传统光纤
SIOF ）： • 传统阶跃折射率光纤（ 传统阶跃折射率光纤（SIOF SIOF） 由两种均匀材料构成，依靠纤芯掺杂实现 PCF ）： • 光子晶体光纤（ 光子晶体光纤（PCF PCF）： 把微米级甚至纳米级微结构引入光纤剖面设计中，依 靠微结构不同于一般均匀材料的色散、能带等特性。 整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为 125µm
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折射率导光型 PCF 的模式 折射率导光型PCF PCF的模式
基 模
x HE 11 y HE 11
孔洞尺寸对折射率导光光纤群速度色散的影响。 Λ＝4µm，d/Λ＝0.40、0.35、0.30、0.25
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© HUST 2013 7/20 2013年2-4月
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折射率导光型PCF
• 特点 � 无截止单模特性 � 大模场尺寸 /小模场尺寸 � 色散可调特性 （调节d,Λ等，无须掺杂) • 应用 � 色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm) � 非线性光学 （高非线性，超连续谱） � 多芯光纤 � 有源光纤器件（双包层PCF有效束缚泵浦光） � 光纤传感
© HUST 2013
/20 13 13/20
2013年2-4月
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空心带子带隙光纤
• 特点 � 易耦合性，无菲涅耳反射 � 低弯曲损耗特性 � 低材料吸收损耗、低非线性 � 特殊的波导色散 • 应用 � 非线性阈值以及损伤阈值高，高功率导光 � 光纤传感 � 气体光学 2013年2-4月 © HUST 2013 /20 14 14/20
nco保持不变
V<2.405
无截止单模特性 实芯多孔光纤 新奇特性之一
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折射率导光型PCF的色散控制
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比较
• 普通SIOF的导波特性是通过调节纤芯直径以及芯、 包层折射率差来实现的。其中，调节石英玻璃的折 射率需要复杂的掺杂工艺。 • PCF导光特性的控制可以仅依赖于结构上的调节。 理论上，通过改变IG-PCF的包层空气孔尺寸，包层 的有效折射率可以为1 ∼1.45之间的任意一值。这样 的调节范围远突破了常规光纤中依靠纤芯掺杂所能 达到的极限。
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National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access Syste3
1/20
2013年2-4月
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