光子晶体光纤
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。
掺Yb3+双包层光子晶纤激光器
光子晶体概念是1987年美国贝尔通信研究 中心的物理学家和加拿大物理学家分别提 出来的。虽然光子晶体是个新名词，但在 自然界中却早就存在天然的光子晶体结构， 比如蛋白石的表面、蝴蝶的翅膀以及丁虫 的身体表面等。举例一个现象：蝴蝶翅膀 在阳光下成美丽彩色，它正是由于在不同 的方向上，有不同频率的光被散射和透射。
20世纪90年代中期PCF诞生，由于这种光纤具有传统光纤无法 比拟的一系列优异特性，为研制新一代高功率光纤激光器创造 了有利条件。采用PCF的光纤激光器件一般可以分为以下两大 类:一类是利用小模面积PCF的高非线性效应研制的激光器件;另 一类是利用掺稀土元素大模面积PCF（尤其是双包层PCF)研制 的高功率、高光束质量近红外PCF激光器。在同等泵浦条件下， 小模面积PCF比一般光纤更容易产生非线性效应，适合于研制 低阈值、结构紧凑的拉曼光纤激光器和放大器，这样在研制激 光器时不仅可以节约光纤而且可以在很大程度上降低泵浦条件， 这对于激光器的实用化和商业化是十分有利的。另一方面，普 通光纤激光器提高功率往往是以牺牲光束质量为代价的，而在 高功率光子晶体光纤激光器中，大模面积PCF不仅可以提高光 纤激光器中泵浦光的耦合效率，而且在高泵浦功率下还能有效 地减少光纤中的非线性效应，实现高功率、高光束质量的激光 输出，这为高功率光子晶体光纤激光器的发展奠定了坚实的基 础。
二、光子晶体光纤激光器的发展
光纤激光器作为一种新型的光子源，以其阈值低、效率高、光 束质量好、全固化、超紧凑、免水冷等优异性能，在光通信、 光传感、光存储和光信息显示等信息科学领域以及激光美容、 激光医疗、防伪打标、激光排版和材料加工等新兴行业中都有 大规模的应用，已经成为当今激光技术及其应用领域的研究热 点。 20世纪60年代初就发明了第一台光纤激光器，然而受到低损耗 光纤制作工艺和泵浦光源的制约，在长达20多年时间里光纤激 光器的研究进展十分缓慢，一直没能得到实际应用。直到20世 纪80年代后期，由于掺稀土双包层光纤的成功研制，采用包层 泵浦(Clad Pumping)技术使光纤激光器的输出功率提高了几个量 级。目前，由掺Yb3+双包层石英光纤制成的激光器，己经获得 近千瓦的单横模激光输出。但是，由于常规单横模掺杂双包层 光纤的纤芯几何尺寸非常小，不仅限制了激光模体积的增大， 也容易带来各种非线性效应的干扰，使光纤中的激光增益难以 进一步提高。
第19讲—光子晶体光纤
国家工程实验室
National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access System
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。
© HUST 2013
国家工程实验室
National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access System
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。
© HUST 2013
/20 20 20/20
国家工程实验室
National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access System
堆积法拉制备光子晶体光纤
© HUST 2013
/20 15 15/20
2013年2-4月
国家工程实验室
National Engineering Laboratory for Next Generation Internet Access System
传统光纤与光子晶体光纤比较
构光纤，以其独特的光学特性和灵活的 设计成为近年来的热门研究课题。这类 光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列 微小空气孔构成，通过这些微小空气孔 对光的约束，实现光的传导。
光子晶体光纤
折射率导光机理
光子能隙导光机理
按导光机理来说 , PCF 可以分为两类 : 折射率导光机理 光子能隙导光机理
传统光纤与光子晶体光纤比较
传统光纤与光子晶体光纤 比较
CONTENTS
1
传统光纤
4
光子晶体光纤
与光子晶体光纤比较
光子晶体应用
总结
传统光纤
传统光纤结构原理
玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微 米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。 一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。 根据光的折射和全反射原理,当光线射到 内芯和外层界面的角度大于产生全反射 的临界角时，光线透不过界面，全部反 射。
光子晶体的应用 2、人类应用 （二）能量传输基本无 损失，也不会出现延迟 等影响数据传输率的现 象。 （三）光子晶体制成的 光纤具有极宽的传输频 带，可全波段传输。
光子晶体光纤
光子晶体光纤是光子晶体一
个极为重要的应用 , 它较 传统光纤具有显著的优势。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
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
光子晶体的分类
PCF导光机制分为两种，一种光子带隙光纤（FBG-PCF）， 另外一种是全内反射光子晶体光纤（ TIR-PCF ）也称折射 率引导光子晶体光纤。
FBG-PCF的导光原理
它是通过布拉格衍射来限制光在纤芯中传播 要求包层空气孔比较大，而且要求空气孔排列精密，规则 的六角形晶格结构才存在有效的二维光子带隙，由于光只 能在缺陷中传播，可以实现在几乎无损耗的纤芯中传播。
高双折射特征
灵活的色散可调特征 易于实现多芯传输
以上特征都可以通过调节PCF的结构来实现和改变
光子晶体光纤的应用
PCF的高非线性效应和高度可调的色散特征，成为超连续光谱产生的理 论依据，这种特性可应用于光学频率测量、建立光学原子钟、生物医 学成像、多光子光谱显微镜领域等
基于PCF的大模场面积、单模宽带传输等特点，发展了光子晶体光纤激 光器
光子晶体光纤
photonic crystal fiber
光子晶体光纤的概念
光子晶体光纤又称多孔光纤，微结构光纤， 最早由Russe11等人在1992年提出的。
它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包 层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组 成，纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局 域光的能力，将光限制在纤芯中传播。
预制棒的制作工艺的方法：毛பைடு நூலகம்管组合方法，（1）设计并制作出光子 晶体光纤的截面结构 （2）形成光子晶体结构（3）复制堆积拉丝过程
光子晶体光纤的制作
预制棒的制作工艺:溶胶-凝聚法—将溶胶浇注成设计成的结构使其凝 胶，空气孔结构可由适当的圆棒插入，待凝胶后移除即可形成。 化学腐蚀法—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 形成的空气孔，这种方法形成的预制棒能拉出结构更完美、更符合要 求的光子晶体光纤。
光子带隙型光子晶体光纤
光子带隙型光子晶体光纤光子带隙型光子晶体光纤是一种具有特殊结构的光纤，其内部的光子晶体结构可以控制光的传播特性。
光子带隙是指在光子晶体中存在禁带，使得特定频率范围内的光无法传播。
这种特殊的光纤结构在光通信、传感和光子学领域具有广泛的应用前景。
光子带隙型光子晶体光纤的制备过程需要精密的工艺和材料选择。
首先，通过光子晶体材料的选择和设计，确定所需的光子带隙范围。
然后，利用光纤拉制技术将光子晶体材料制备成光纤的结构。
在制备过程中，需要控制光子晶体的周期性结构，以确保光子带隙的形成和传输特性的优化。
光子带隙型光子晶体光纤具有许多独特的优势。
首先，由于光子带隙的存在，光子晶体光纤可以实现低损耗的光传输。
其次，光子带隙型光子晶体光纤可以实现光的波导效应，使得光信号可以在光纤中沿特定方向传播，从而减少光的散射和损耗。
此外，光子带隙型光子晶体光纤还具有高度的温度和环境稳定性，适用于各种复杂的工作环境。
光子带隙型光子晶体光纤在光通信领域有着广泛的应用。
由于其低损耗和波导效应，光子带隙型光子晶体光纤可以实现高速、长距离的光信号传输。
此外，光子带隙型光子晶体光纤还可以用于光纤传感领域，通过对光信号的变化进行监测和分析，实现对温度、压力、湿度等物理量的测量。
光子带隙型光子晶体光纤还可以应用于光子学器件的制备，如光开关、光放大器等。
尽管光子带隙型光子晶体光纤具有许多优势和应用前景，但其制备和应用仍面临一些挑战。
首先，光子晶体材料的制备和加工工艺需要进一步改进和优化，以提高光子带隙型光子晶体光纤的性能和稳定性。
其次，光子带隙型光子晶体光纤的成本较高，限制了其在大规模应用中的推广。
此外，光子带隙型光子晶体光纤的性能受到温度、压力等外界环境的影响，需要进一步研究和改进。
光子带隙型光子晶体光纤是一种具有潜力的光纤结构，其特殊的光子晶体结构可以实现光的控制和传输。
在光通信、传感和光子学领域，光子带隙型光子晶体光纤具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的导光原理
光子晶体光纤的导光原理1.引言1.1 概述概述：光子晶体光纤作为一种新型的光纤传输介质，具有独特的结构和出色的光导特性。
它采用光子晶体结构，通过调控光子晶体中的周期性折射率变化，实现对光信号的高效导引和传输。
与传统的光纤相比，光子晶体光纤在光导性能上具有明显的优越性，因此在光通信、光传感等领域有着广泛的应用前景。
本文将从光子晶体光纤的基本原理和导光机制两个方面进行探讨。
首先，我们将介绍光子晶体光纤的基本原理，包括其结构特点、制备方法和光学性质等方面的内容。
其次，我们将重点探讨光子晶体光纤的导光机制，包括全内反射、布喇格散射和空气孔径调制等关键技术的原理及其对光信号传输的影响。
通过对光子晶体光纤的导光原理的深入研究，可以更好地理解其优越的光导特性，并为其在光通信、光传感等领域的应用提供理论指导和技术支持。
此外，我们还将展望光子晶体光纤在未来的发展趋势，以及可能遇到的挑战和解决方案。
综上所述，本文旨在全面介绍光子晶体光纤的导光原理，为读者深入了解和应用光子晶体光纤提供参考。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：1.2 文章结构本文主要围绕光子晶体光纤的导光原理展开讨论。
为了使读者更好地理解这个主题，本文将分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分将首先对光子晶体光纤进行概述，介绍其基本特点和应用领域。
然后，本文将给出文章结构的总体概述，为读者提供一个整体的框架。
正文部分将重点讨论光子晶体光纤的基本原理和导光机制。
在2.1节中，将详细介绍光子晶体光纤的基本原理，包括其构造和组成材料。
然后，2.2节将深入讨论光子晶体光纤的导光机制，解释光信号在光纤中的传输过程，并探讨其与传统光纤的区别和优势。
结论部分将对文章进行总结，并展望光子晶体光纤在未来的发展前景。
3.1节将总结本文的要点和主要观点，强调光子晶体光纤在光通信和光传感领域的重要性。
而3.2节将展望光子晶体光纤技术未来的发展方向和可能的应用领域，为读者提供一个展望未来的思考。
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。
光子晶体光纤的色散特性分析
光子晶体光纤的色散特性分析
1光子晶体光纤的特点
光子晶体光纤是由透明的光子晶体构成的特殊的传输介质，它拥有独特的光学特性和传输性能，可以大大提高传输效率和降低光学损耗。
这种光纤具有器件小、重量轻、传输速率快、成本低和安装方便的优点，可以节省电力，对环境无害。
它通常用于大尺寸数据中心或安防系统的远程传输和通信系统，且具有传输距离长、延时低、功耗低、封装紧凑等优点。
2光子晶体光纤的色散特性
色散是光子晶体光纤传输中一个重要的性能指标，它是指传输的光线在不同的波长处的传输衰减程度，即不同波长的光线耗散的能量比例。
由于光子晶体光纤的特点，其色散特性大大好于传统的光纤，同时具有介质抗噪声能力强、传输衰减起伏小、时延稳定小等优点。
光子晶体光纤的色散特性可以有效改善频率链路中的波长衰减，减少调制系统对噪声和干扰的影响，满足多波长传输系统的要求，保证频率链路传输的高可靠性。
3合理配置光子晶体光纤及其色散特性的把握
在使用过程中，应根据实际的传输需求合理配置，以确保覆盖范围广、高可靠性、通信质量优异等要求。
同时还要注意把握光子晶体光纤的色散特性，把握系统中光纤色散以及调制宽度解调宽度、抗噪
声电平、带宽散聚误差等参数，这样可以确保传输的质量更高，获得更高的传输信号和节省电路消耗的能量。
4结论
光子晶体光纤具有传输距离长、延时低、功耗低、封装紧凑等优点，需要合理的配置以及充分的利用其独特的色散特性来满足多波长传输要求，提高信号的传输质量，从而实现经济高效的通信系统。
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。
光子晶体光纤的光子带隙导波效应研究
光子晶体光纤的光子带隙导波效应研究光子晶体光纤是一种基于光子晶体结构的新型光导波器件，其独特的光学特性使其在光通信和光子集成领域具有广泛的应用前景。
其中，光子带隙导波效应是其关键特性之一，对于了解光子晶体光纤的传输特性和设计新型光纤器件具有重要意义。
光子晶体光纤是一种周期性控制折射率的光导波结构。
通过调节光子晶体结构中介质材料的周期性和折射率差异，可以使得特定波长的光在光子晶体光纤中形成带隙（禁带），从而实现光波的完全反射。
这一特性可以用来实现光信号的传输和控制，从而在光通信系统中发挥重要作用。
首先，我们需要了解光子晶体光纤的光子带隙。
光子带隙是指在光子晶体材料中存在的不允许特定频率范围内光的传播的禁带区域。
光子晶体光纤通过调控这一禁带，使得特定波长的光在其中无法传播，从而实现了波导导模的选择性。
光子带隙导波效应是指当光子晶体光纤中的波长处于光子带隙范围内时，光波被束缚在光纤核心中，沿光纤传播。
这种导波现象与传统的多模和单模光纤不同，光子晶体光纤中的导波效应主要依赖于光子带隙的存在。
晶体光纤的光子带隙导波效应可以通过两种机制实现：布里渊散射和衍射耦合。
布里渊散射是光子晶体光纤中光与晶格振动相互作用而发生的散射现象，可以将光能量转化为声子能量。
衍射耦合是指光子晶体光纤中的介质周期性结构与光波的衍射相互作用，使光波在光纤中的传播方向发生变化。
光子晶体光纤的导波特性与其结构和参数有关。
通过设计合适的光子晶体结构和调控光子晶体光纤的折射率分布，可以实现不同波长处于不同位置的光波的导波效果。
这为光通信和光子集成提供了更多的可能性。
在实际应用中，光子晶体光纤的光子带隙导波效应为光通信系统的设计和光子集成器件的制备提供了新的思路。
例如，在光通信系统中，光子晶体光纤可以用作传输通道，具有低损耗和高速率的特点。
在光子集成器件方面，光子晶体光纤可以用来制备滤波器、耦合器、光开关等器件，实现光信号的调控和控制。
但是，光子晶体光纤的应用还面临着一些挑战。
光子晶体光纤的制备与调控
光子晶体光纤的制备与调控光子晶体光纤是一种具有周期性折射率分布结构的光导纤维，通过调控其周期性结构，可以实现对光的传输和操控。
光子晶体光纤制备与调控技术的发展，不仅在信息通信、传感、激光器等领域具有广泛应用前景，还为光子晶体光纤的基础研究提供了重要的工具和平台。
光子晶体光纤制备主要采用两种方法，一种是传统的拉制方法，另一种是光子晶体纤维预制杆法。
传统的拉制方法是将材料熔化后拉制成光纤，再通过控制拉制速度和温度来调控光纤的结构。
这种方法制备的光纤制作工艺相对简单，适用于制备光纤长度较长且尺寸较大的光子晶体光纤。
而光子晶体纤维预制杆法则是首先制备光子晶体材料的预制杆，然后在预制杆表面进行化学蒸发沉积等处理，通过控制沉积时间和温度来调控光子晶体光纤的结构。
这种方法制备的光纤在结构上更加精密、周期性更好，适用于制备光纤长度较短且尺寸较小的光子晶体光纤。
光子晶体光纤的结构调控是实现其特殊光学性质的关键。
通过调控光子晶体光纤的结构参数，如周期、孔径、壁厚等，可以实现对光的吸收、散射和衍射等过程的控制。
一种常用的结构调控方法是通过控制沉积时间和温度来调控光子晶体光纤的周期。
周期的大小决定了光子晶体光纤的色散特性和带隙宽度，通过调控周期大小，可以实现对光子晶体光纤的色散特性和光子禁带的调控。
另外，根据所需的应用需求，还可以通过控制光子晶体光纤的孔径和壁厚等参数来调控其光学性能。
在光子晶体光纤的制备与调控中，材料的选择也是非常关键的。
目前常用的材料有氟化物玻璃、硅氧烷等。
氟化物玻璃具有优异的光学性能和生物相容性，在红外通信、激光器和传感领域具有广泛应用。
而硅氧烷则具有低损耗、高强度和光学透明性好的特点，适用于制备波导结构较复杂的光子晶体光纤。
除了材料的选择，制备光子晶体光纤还需要考虑其他因素的影响。
光子晶体光纤的制备过程中，温度、拉制速度等参数的控制对光子晶体光纤的性能有着直接的影响。
同时光子晶体光纤的制备还需要考虑光纤的缺陷问题，如内部杂质、壁厚不均匀等等。
空心光子晶体光纤的导光原理
空心光子晶体光纤的导光原理
空心光子晶体光纤，又被称为光子带隙光纤，其导光原理是依赖于光子晶体的带隙效应。
这种光纤的包层由无数规则排列的空气孔构成，形成了一种具有严格周期性结构的光子晶体。
当纤芯被引入并破坏了包层的周期性结构时,就形成了一个缺陷态或局域态,产生了一个特定的频率范围。
这一频率范围内的光波在光子晶体中受到强烈的约束，无法自由传播。
然而，只有特定频率的光波能够在这个缺陷区域中传播，不受外部环境的干扰。
其他频率的光波则被禁止进入缺陷区域，因此无法在光纤中传播。
正是这种严格的带隙效应，使得光波被牢牢限制在空心光纤的纤芯中传播，从而形成了光子晶体光纤独特的导光机制。
这一原理的实现，不仅依赖于光子晶体的独特结构和周期性排列，还需要精确控制纤芯的位置和形状，以产生适当的光子带隙效应。
正是这种高度精确和复杂的设计，使得空心光子晶体光纤能够实现高效、低损耗的光传输，为现代光学通信和传感技术提供了强大的支持。
总结来说，空心光子晶体光纤的导光原理是基于严格的光子带隙效应,通过精确设计和控制纤芯与包层的结构关系，实现了对特定频率光波的有效约束和传输。
这一技术的出现，不仅在理论上丰富了我们对光波导现象的理解，还在实践上推动了光学通信和传感技术的进步。
光子晶体光纤拉曼
光子晶体光纤拉曼
光子晶体光纤拉曼（Photonic crystal fiber Raman）是一种特殊
结构的光纤，能够在光纤中实现拉曼散射效应。
光子晶体光纤拉曼充分利用了光纤的结构特点，将拉曼散射的效果最大化，从而增强了拉曼信号的强度。
光子晶体光纤是通过在光纤的芯部引入周期性的折射率变化，形成了一种光子晶体的结构。
这种结构可以通过控制晶格的周期和尺寸来调控光纤的光学性质。
在光子晶体光纤中，光信号可以通过空气孔道或其他微结构中传输，从而有效地改变光的传播特性。
利用光子晶体光纤的结构特点，拉曼光纤传感的敏感度可以得到大幅提升。
光子晶体光纤中的晶格结构可以提供更长的光纤轴向，从而使得激光光束与纤芯中的样品相互作用的路径更长。
这样可以增强样品与光束之间的相互作用，提高拉曼信号的产生。
光子晶体光纤拉曼具有以下优点：
1. 高灵敏度：光子晶体光纤的结构可以增强拉曼信号的强度，提高传感的灵敏度。
2. 宽光谱范围：光子晶体光纤可以覆盖更广泛的光谱范围，从可见光到红外波段。
3. 低损耗：光子晶体光纤的损耗相对较低，能够保持原始信号的强度。
4. 可调制性：光子晶体光纤的结构可以通过调整晶格周期和材料参数来调控光纤的光学性质。
光子晶体光纤拉曼在化学、生物、环境等领域的应用非常广泛。
它可以用于分析样品的成分、结构和浓度等信息，实现非侵入性、无损伤的检测。
同时，光子晶体光纤拉曼还可以应用于光通信、仪器仪表等领域，为科学研究和工业应用提供了强大的工具。
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二 基本概念
1 光子晶体
2 光子晶体光纤
光子晶体
光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在周期性介质中， 电场E满足麦克斯韦波动方程
−∇ E + ∇ ( ∇ ⋅ E ) −
2
ω2
c
2
ε1 (r ) E =
ω2
c
2
ε0E
(2-1)
在周期性势场中，电子的波函数 Ψ 满足薛定愕方程：
[−
具有平坦色散的光子晶体光纤
光子晶体光纤色散补偿研究
近年来，随着高速光通信系统的发展，对系统进行色散补偿和色散管理越发 必要。目前的色散补偿技术有惆啾光纤光栅，色散补偿滤波器，高阶模光纤和 已经商用的色散补偿光纤。随着光子晶体光纤的提出，由于其结构设计灵活可 控，光子晶体光纤成为研制新型色散补偿光纤的一个重要手段。
S (λ ) K (λ ) = D (λ )
相应值。由(3-4)式可定义一个新的参数，称为相对色散斜率： (3-5)
当两种光纤的相对色散斜率在该波长处相等时，该波长处的色散可被完全地补偿
色散补偿光子晶体光纤
光子晶体光纤在色散补偿方面蕴藏着巨大潜力，国内外对光子晶体光纤色散 补偿特性做了大量的数值研究。到目前为止，色散补偿光子晶体光纤的设计主要 是通过改变空气孔的大小和排列顺序，或者通过掺杂纤芯来实现
不同结构的光子晶体光纤
ACD
EGI
研究成果
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成功制备出 PCF。 2001年,英国 Bath大学 Wads worth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。 2003年 1月 ,Wads worth等人利用大模面积空气包层 PCF研制的高功率 PCF激光器 2004年,Blaze曾发布了一款新型 PCF，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 2005年,英国 Bath大学 A. Ortigosa和 B lanch等人用 200fs的泵浦脉冲在 PCF中产生 了超连续谱 2006年,澳大利亚悉尼大学的 A. Argyr os等人拉制出了聚合物材料的空气传导光子带 隙光纤 2007年,张明明、 马秀荣等人设计了一种高双折射光子晶体光纤
色散补偿原理
用下标1代表待补偿光纤，下标2代表色散补偿光纤.L代表光纤长度，D为色散系 数，S代表色散斜率.在某一波长处，色散补偿的条件为:
L1 D (λ ) S (λ ) =− 2 =− 2 L2 D1 (λ ) S1 (λ )
将D和S写成波长
(3-4)
λ 的函数，为的是强调色散系数和色散斜率均是该波长处的
h ∇ 2m
2
+ V ( r )]Ψ = E e Ψ
(2-2)
可以看出，方程(2-1)与(2-2)的形式完全相似. Ee 在周期性势场中只能取本征值，因 此，
ω2
c
2
ε 0 在周期性介电晶体中也只能取某些特征值
光子晶体光纤
光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructured optical fiber，MOF)或 多孔光纤 (Holeyfiber，HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对 光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体 光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。
光子晶体光纤的主要特性
a.无截止单模 b.灵活的色度色散 c.良好的非线性效应 d.高双折射效应
三 光子晶体光纤的色散特性研究
1 色散及其原理
2 光子晶体光纤色散
3 光子晶体光纤色散补偿研究
色散及其原理
色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同 , 而引起传输信号畸变的一种物理现象。 在光纤中 ,脉冲色散越小 ,它所携带 的信息容量就越大。脉冲在单模光纤中的传输基本方程为：
单模光纤单位长度的色散量可以由下式得出：
λ d 2n (λ ) n∆ d 2V b − V δ = − c dλ2 c dλ2
(3-3)
式中 , c为光速;V 为光纤传输的归一化频率; b为归一化传输常数。式(3-3)等 号右边第 1 项决定于材料折射率,称之为材料色散;第2项由于与光纤波导性能 有关, 称之为波导色散。普通单模光纤在1550 nm 窗口的色度色散系数约为 16 ps/ (nm ·km) ,传输 100 km 后色散可达到1600 ps/ nm。而对于10 Gbit / s 系统,它的最大色散容限是1 000 ps/ nm。
光子晶体光纤的导光原理
a. 全内反射型 PCF导光原理 导光原理 周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够 在纤芯中传播. b. 光子带隙型 PCF导光机理 导光机理 在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保 证光不折射出去.
光子晶体光纤
主要内容
• 历史背景及发展现状 • 基本概念 • 光子晶体光纤的色散特性研究 • 总结
一 历史背景及发展现状
光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，这种光纤通常由单一介质构成 并由在二维方向上紧密排列而在轴向保持结构不变的波长量级的空气孔构成微 结构包层。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，因而受到 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。
∂A i + β ∂z 2 ∂2A 1 − β ∂T 2 6 ∂3A = 0 ∂T 3
2
3
(3-1)
当
β 2 > 1 ps 2 / km 时，β 3 可忽略不计。求解方程得：
1 A( z, T ) = 2π
+∞
−∞
∫
A (0, ω ) exp[
i β 2 z ω 2 − iω T ] d ω 2
(3-2)
等效折射率分布 理论设计的色散补偿光子晶体光纤的横截面示意图
色散补偿光子晶体光纤的色散曲线图
注意到该光纤是基于纯二氧化硅材料设计，没有任何掺杂，可实现的色散值要比 传统掺杂的DCF要高得多。这充分说明了色散补偿光子晶体光纤的色散潜力
四 总结
光子晶体光纤的出现对于光纤及光纤通信光纤器件等领域是一个重大的突破。 由于具有普通光纤所不具有的优点，光子晶体光纤将会有非常广泛的应用前景，比 如说超宽色散补偿、光开关、光纤传感、大功率光子晶体光纤激光器和非线性光学 等等。但目前就光子晶体光纤来说，离广泛使用还需要进行深入的研究。我们相信, 随着科学技术的不断发展, 光子晶体光纤的导光理论和制造工艺以及性能测量等不 断改进与完善, 使光子晶体光纤在未来的光纤通信领域中发挥越来越重要的作用。
谢 谢 观 赏
光子晶体光纤色散
与传统光纤在可见光波段呈现正常色散不同，光子晶体光纤由于包层的 空气孔结构使得芯层和包层的折色率之差增大，从而极大的增强了波导 色散的作用，使得波导色散可以为反常色散.
此外通过结构的改变，很容易将光子晶体光纤的零色散点调至到所需要的波长。 通过适当设计空气孔的参数，还可以在极宽的波段内具有平坦色散且宽带平坦 色散曲线的中心波长可移。