光子晶体光纤的结构设计及其传输特性研究(张晓娟)思维导图
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。
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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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王道计算机网络第二章物理层思维导图脑图
通信双方可以同时发送信和接受信息，也需要两条信道 Eg：打电话
串行传输&并行传输
串行传输 并行传输
将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送 速度慢，费用低，适合远距离 将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送 速度快，费用高，适合近距离
同步传输
在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称 区块传输，在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
多模光纤
光纤
单模光纤
分类
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好 3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
特点
4.体积小，重量轻
自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
信号向所有方向传播 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
无线电波
信号固定方向传播
基带信号与宽带信号
宽带信号
将基带信号进行调制后形成的频分复用信号，再传输到模拟信道上去传输（宽带传输）
把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中 传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内 容不易发生变化）
再生，放大信号
对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输 入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度， 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
功能
集线器不能分割冲突域
集线器（多口中继器）
连在集线器上的工作主机平分带宽
物理层设备
传输介质和物理层设备
通信基础9页知识点思维导图(纯洁版)
【T-MPLS/MPLS-TP】技术，我国用 PTN以【IP】为内核，最重要的特性【分组】+【传送】 PTN 分组传送网 Packet Transport Network P19---分组交换系统中路由器也以ip为内核
“量子交换” 分层达到可扩展 PTN 关键技术 QoS 同步以太网（基于物理层） 频率时间 同步技术 TOP（基于分组包） 分类 只传频率，不传时间 只传频率，不传时间 高质量时间同步，大大降低【3G】基站时间同 步问题，减少对【卫星】的依赖，【减少天馈 线】 SDH、OTN
通信基础
课本章节标题 努力要记住的内容 仪器名 一段话里的【关键字】 图例 喵喵喵喵喵喵喵喵喵喵喵喵
备注：多为口诀和理解
高频考点 说明 次高频考点 P111-----写不下了，去翻书本吧
交换的信息：
“控制用户网络”
用户信息 控制信息 网络管理信息 终端节点 构成：--通信网核心设备 交换节点 构成：---
反过来：近端串音增大
光缆、电缆 特点应用 P70
束管式 骨架式 接入网用蝶形引入光纤
【近端串音、衰减、结构回波损耗】等指标油提高
PTN 分组传送网 Packet Transport Network
跳转 【波长1mm-1m】【频率300M-300GHz】 视距传播 50km 端站 SDH微波中继通信组成 枢纽站 分路站 中继站 天线增益 微波天线参数 （一般是个锅盖）
优越的【偏振模色散系数】
G653
日本人使用
3-安倍晋三-日本
1550nm色散为零==》不利于WDM传输
有微量色散是好事儿，四波混频会减小
G654 单模光纤
海底光缆
4-海四
1310nm色散为零 1550nm衰减最小，为工作波长 适合长距离
光子晶体
一种高双折射光子晶体光纤的模式特性分析张晓娟赵建林崔莉(西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所,陕西省光信息技术重点实验室, 陕西西安710072)摘要应用全矢量频域有限差分法,分析了所提出的一种高双折射光子晶体光纤的模式截止、损耗、模场半径及数值孔径等特性。
数值模拟结果表明,通过设置合适的结构参量,可使这种高双折射光子晶体光纤在保持模式双折射为10 - 3量级的前提下,能够在600～1800 nm 波长范围内保持单模传输,并且限制损耗可低于10 - 4 dB/ m 量级,同时还可以获得较大的数值孔径,因而聚光能力增强。
此外,通过采用高斯曲线拟合基模的模场分布,得到的模场半径与实际模场半径吻合得很好。
关键词光子晶体光纤; 截止特性; 限制损耗; 频域有限差分中图分类号TN253 ; TN929. 11 文献标识码 A doi : 10. 3788/AOS20082807. 1379An a l ys i s of Mode P r op e r t ies of P h ot o nic Cr ys t a l Fi be r wi t hHi g h Bi r ef r i n ge nceZhang Xiaojuan Zhao J ianlin Cui Li( Sha n nxi Key Labor atory of Information Technology , Instit ute of Optical Information Science a nd Technology ,School of Science , Nor t hwester n Polytechnical University , Xi’a n , Shaa nxi 710072 , Chi na) Abs t r act The mode cutoff , confinement loss , modal radius , and nume rical ape rture of photonic crystal fiber ( PCF)with high bi ref ringence were analyzed by using full2vector finite diffe rence f requency domain ( FDFD) method. Thenumerical simulation results shown that , by choosing suitable s t ructural parameters , the biref ringence of t he PCFmay reach the orde r of 10 - 3 with broad single2mode region ( 600 ～1800 nm) . A low confinement loss less than10 - 4 dB/ m and high nume rical aperture can be obtained in a p rope rly designed geomet rical st ructure of PCF , so thefocusing ability is enhanced. Moreove r , by fit ting the dis t ribution of the fundamental mode using Gaussian curve , theobtained modal radius agrees well with the actual one .Key wor ds photonic crys tal fibe r ( PCF) ; cut2off p rope rty ; confinement loss ; finite diffe rence f requency domain( FDFD)1 引言光子晶体光纤(PCF) 是一种将光子晶体及缺陷结构引入光纤中而形成的新型微结构光纤。
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 (PCF)
1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中，光在中心的氧化硅纤芯里传播 • 通常采取掺杂的办法提高其折射系数，以增加传输效率，但不 同的掺杂物只能对一种频率的光有效 • 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细 管一次绑在一起组成六角阵列，在 2000 度高温下烧结后制成 了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔作 为导光通道，也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF • 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
2-9光子晶体光纤
光子禁带(Photonic Band Gap, PBG)
年各自提出。 由E. Yablonovitch和S. John于1987年各自提出。 和 于 年各自提出 如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样， 如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样， 光子晶体的折射率的周期性变化也会引起一部分能 量的光不能够传输过该结构， 量的光不能够传输过该结构，这些被禁止的频率区 域称为光子禁带 域称为光子禁带(Photonic Band Gap, PBG)。 光子禁带
PCF的损耗（3）
目前PBG-PCF的损耗明显高于TIR-PCF。 TIR-PCF中，光在具有高折射率的纤芯传输，导光机 制类似于普通光纤的全内反射，对包层周期性结构要 求不十分严格，所以材料的本征损耗可以达到通信光 纤的水平。 PBG-PCF是利用光子带隙和缺陷态导光，光主要在空 气芯中传输，在石英介质中传输较少，因此材料的本 征损耗不是非常突出，但是光子带隙效应对包层结构 的周期性要求非常严格，芯部内表面的粗糙度和结构 的不完善将导致损耗加大，是总损耗大于TIR-PCF的 主要原因。 随着制备工艺的不断完善，PBG-PCF有希望达到理想 的超低损耗。
PBG-PCF 的导光原理
采用PBG 导光，是一种完全不同于全内反射的新 导光， 采用 的导光机制。 的导光机制。 纤芯处为大空气孔，形成缺陷， 纤芯处为大空气孔，形成缺陷，PBG-PCF利用缺 利用缺 陷态导光， 陷态导光，光场的绝大部分能量集中在形成缺陷的 纤芯大空气孔中。 纤芯大空气孔中。 PBG-PCF独特的导光机制要求在设计、制造时空 独特的导光机制要求在设计、 独特的导光机制要求在设计 气孔的排列位置精确定位， 气孔的排列位置精确定位，这对制造工艺提出了较 高的要求。 高的要求。
光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用
要 ! 传统光纤中的光能损耗和色散是阻碍其进 一 步 向 大 容 量 和 远 距 离 通 信 方 向 发 展 的 主 要 原 因 . 因此制造
具有低色散和低损耗的光子晶体光纤成为光纤技术努力的方向 0在介绍光子晶体光纤的制作 导光原理和特点的 基础上 . 研究了普通光纤不具备 . 而光子晶体光纤 所 具 有 的 无 休 止 的 单 模 特 性 奇异的色散特性可控的非线性和 易于实现的多芯传输等特点 0 研究结果表明 . 光子晶体光纤在光纤传感器光子晶体天线超宽色散补偿光学集 成电路等多方面具有广泛的应用前景 0 关键词 ! 光子晶体光纤 1 光纤 1 色散 1 非线性效应 中图分类号 ! ( 4 5 , 2 3$ 文献标识码 ! 6
$ # # ( . $ * ’ * ) 文章编号 ! " # # $ %$ # & $ ’ $ # # ( ) # * %# # + , %# +
应用光学
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光子晶体光纤的原理 结构 制作及潜在应用
李启成
黑龙江科技学院 数力系 . 黑龙江 哈尔滨 ’ 摘 " ( # # $ / )
制作这种光子晶体在工艺 控制气孔的排列 " 因此 ! 上有较大难度 " 目前所报道的传统的 A 低耗的光子 晶体光纤都以全内反射作为导光机制 "
图 < 隧道被破坏的光子带隙波导 图 % 传统光波导 ) % * & ’ ( + , ’ . ’ / 0 , 1 2 , 3 4 ( 5 ’ 4 ) < B & ’ ( , 0 -( , C2 , 3 4 ( 5 ’ 42 ’ . D4 E . + / F 4 -. 5 0 0 4 1
光子晶体光纤的原理及应用ppt
谢谢！
周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构 的人工设计和制造的晶体，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
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。
光子晶体光纤的传输特性研究
毕业论文 全光波长转换(All-0ptical Wave length Conversion，AOWC)是波 分复用(Wavelength Division Multiplex，WDM)光网络的一项关键技术， 可以通过几种非线性效应来实现，其中基于四波混频效应的全光波长转 换技术能够对信号的幅度、频率和相位严格透明，故可以使波长转换与 信号的形式无关，是一种极具吸引力的全光波长转换方案，具有良好的 发展前景。影响四波混频(Four wave Mixing，FWM)转换效率的主要因 素是光纤的非线性系数、色散、双折射、和光纤的长度。 • 四波混频(Four-Wave Mixing,FWM)是光纤的一种非线性效应，它的 具体表现是：当三种不同波长的光信号同时输入到一根光纤时会有新波 长光的产生。 • 光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)比普通光纤的纤芯 小，有较高的非线性，可以设计出具有平坦色散的PCF。在四波混频效 应中，PCF能够大大减短光纤的长度，拓宽泵浦波的可调节范围，得到 较宽的转换带宽，大大改善波长转换的范围和性能。
毕业论文
毕业论文题目
光子晶体光纤的传输特性研究
◆学生姓名： ◆专业班级 ◆指导教师：
毕业论文
课题背景 研究内容 论文主要工作 总结与展望 致 谢
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课题背景
随着计算机的普及和互联网的迅速发展，人们对信息的快速传 递和网络容量的需求量与日俱增。为了适应这种海量信息的高速传 输与交换，光纤通信系统正朝着超高速、超大容量、超长传输距离 的方向发展，并逐步向全光网络的方向演进。随着WDM技术的广泛 应用，作为光网络物理层面的光纤光缆的传输特性将极大地影响下 一代网络光通信系统的性能。目前，光通信系统的网络容量和网络 性能受到传统光纤的损耗、色散和非线性效应的限制和影响，人们 开始寻求研制新型换代的光纤品种。 与传统光纤相比，光子晶体光纤(PCF)是一种将光子晶体结构 引入光纤中而形成的新型光纤。由于它具有很多奇异的特性，如无 截止波长的单模特性、极低的理论损耗、可调的色散、良好的非线 性及高双折射特性等，故近年来PCF引起了国内外广泛的关注，在 近几年里迅速发展成为光纤通信、光纤传感和光电器件领域的一个 研究热点。