传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的色散模拟论文
光子晶体光纤的色散模拟摘要光子晶体光纤由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、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一个热门课题.为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，人们发展了许多理论分析方法，这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具，在光子晶体光纤的研究领域占有很重要的地位.国内外在研究光子晶体方面的文章也非常之多，但是大都注重研究的结论，在众多的文献中能得到好多种光纤的特性信息，但却几乎找不到一种研究方法可以拿来直接用而不用经过和原作者一样的各种知识的繁杂学习的，基于提供一种通用而简单的研究光子晶体光纤的方法，作者通过自己对时域有限差分法(FDTD)和有限元方法的实践探索，总结出利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤数值模拟的一系列简单可行步骤及后处理过程的MATLAB程序，使一般的研究者只要根据本文给出步骤就可以进行各种光子晶体光纤特性的数值模拟。
本论文在系统介绍光子晶体光纤基础知识及各种理论研究方法，并对这些方法优缺点作简单比较的基础上，重点介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤特性数值模拟的具体方法步骤，并应用该方法计算了条形光子晶体光纤和锥形光子晶体光纤的色散特性参数，并对二者做了简单的比较。
【关键词】:锥形、条形光子晶体光纤;色散模拟;COMSOL Multiphysics;数值模拟摘要 (1)第一章绪论 (3)1.1光子晶体光纤简介 (3)1.1.1光子晶体光纤的概念 (3)1.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理 (4)1.1.3光子晶体光纤的制备 (6)1.1.3.1堆积法 (6)1.1.3.2挤压法 (7)1.1.3.3超声波打孔法 (7)1.2光子晶体光纤的特性 (8)1.2.1无截止单模( Endlessly Single Mode) (8)1.2.2不同寻常的色度色散 (9)1.2.3非线性特性 (9)1.2.4优良的双折射效应 (10)1.3光子晶体光纤的研究现状 (11)1.4光子晶体光纤的应用前景 (11)1.5光子晶体光纤色散方面的研究 (12)1.6本论文的内容 (13)第二章光子晶体光纤的数值模拟 (14)2.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤 (14)2.2光子晶体光纤的数值模拟实例 (14)2.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOL Multiphysics实现过程 (15)2.2.1.1应用模式的选取与打开 (15)2.2.1.2模型建立 (17)2.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置 (18)2.2.1.4求解参数的设置 (19)2.2.1.5求解及结果显示与分析 (20)2.2.2条形光子晶体光纤数值模拟实现过程 (22)2.2.2.1求解参数的设置 (22)2.3光子晶体光纤的色散计算 (24)第三章光子晶体光纤的色散计算结果及分析 (27)3.1锥形光子晶体光纤色散的计算结果 (27)3.2条形光子晶体光纤色散计算结果 (28)第四章总结 (32)参考文献 (33)致谢 (36)第一章绪论第一根光子晶体光纤是于1996年，由英国Bath大学的J.C.Knight研制出来的，它是一种二维方向上紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。
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
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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。
© HUST 2013
/20 20 20/20
国家工程实验室
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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
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光子晶体光纤的特性及应用
光子晶体光纤的特性及应用作者：牛静霞李静来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。
文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。
关键词：光子晶体光纤特性光器件0 引言光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。
光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。
光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。
1 光子晶体光纤的导光原理光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)两类。
带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的。
在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图1（a）。
折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。
由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。
由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图1（b）。
光纤光栅的分类
光纤光栅的分类光纤光栅是一种基于光纤技术的光学元件，它可以将光信号转化为电信号或者进行光谱分析等应用。
根据不同的制备方法、工作原理和应用场景，光纤光栅可以分为多种类型。
本文将对光纤光栅的分类进行详细介绍。
一、基于制备方法的分类1. 折射率调制型光纤光栅折射率调制型光纤光栅是通过改变光纤中的折射率分布来实现光信号的分析和处理。
这种光纤光栅的制备方法通常是将光纤暴露在紫外线下，利用紫外线的辐射将光纤的折射率分布改变，形成光栅结构。
折射率调制型光纤光栅的优点是制备简单、成本低廉，但是其灵敏度较低，只能用于一些基本的光学测量。
2. 电弧放电型光纤光栅电弧放电型光纤光栅是一种利用电弧放电技术制备的光纤光栅。
该方法是将两个电极分别与光纤相连，然后在两个电极之间产生电弧放电，使得光纤表面形成光栅结构。
电弧放电型光纤光栅的优点是制备过程简单，可以制备出高灵敏度的光栅结构，但是其制备过程需要一定的技术水平。
3. 光子晶体型光纤光栅光子晶体型光纤光栅是一种利用光子晶体技术制备的光纤光栅。
该方法是将光纤放置在光子晶体中，通过改变光子晶体的结构来形成光栅结构。
光子晶体型光纤光栅的优点是可以制备出高质量的光栅结构，但是其制备过程比较复杂，需要一定的技术水平。
二、基于工作原理的分类1. 感应型光纤光栅感应型光纤光栅是一种利用感应效应实现光学测量的光纤光栅。
该光栅结构中，光纤的折射率分布会随着外部环境的变化而发生变化，从而影响光信号的传输。
感应型光纤光栅的优点是可以实现非接触式的测量，但是其灵敏度较低，适用范围有限。
2. 干涉型光纤光栅干涉型光纤光栅是一种利用干涉效应实现光学测量的光纤光栅。
该光栅结构中，光纤的折射率分布会随着外部环境的变化而发生变化，从而影响光信号的传输。
干涉型光纤光栅的优点是可以实现高灵敏度的测量，但是需要较高的制备技术和精度。
三、基于应用场景的分类1. 光纤传感器光纤传感器是一种利用光纤光栅实现传感器功能的装置。
光子晶体光纤模式特性研究
光子晶体光纤模式特性研究摘要:利用有限元法对PCF进行经过简化的矢量波动方程模拟计算,获得了所需要的模场分布、有效折射率、色散等参数,并与实验数据相参照验证了这种方法的准确性和精度。
与其他方法相比具有更快的计算速度,计算所得到的结果对将来设计和拉制微结构光纤很有帮助,并且这种方法在设计不规则的微结构光纤方面具有很好的优势。
关键词:光电子学光子晶体光纤微结构光纤有限元法光子晶体光纤(photonic crystal fiber—PCF)的概念,最早是由J.Russell等人于1992年提出的。
在外观上PCF和传统光纤极为相似,但是横截面结构十分独特,是由石英棒或是石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷。
PCF可分为两种。
一种称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF),其纤心“缺陷”为石英的实心光纤。
另一种称为光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF),其纤心“缺陷”为空气孔的空心光纤。
由于PCF这种带孔的包层结构可以人工改变和拉制它的一些参数,因而也可以改变和控制光子晶体光纤的一些性质。
PCF的这些新奇的性质在很多领域中广泛地应用,引起了人们极大的关注。
近年来,微结构光纤的制造技术、理论研究方法以及在不同科学领域的广泛应用都取得了很大的进步,国内也在这方面开始了一系列的研究工作。
1 分析方法的选择PCF问世后,人们先后提出了多种数值模拟方法对其进行分析,如:有效折射率法、平面波法、边界元方法、有限元方法、有限差分法等．这些方法对于PCF的模拟分析各有优缺点和适用范围。
主要分两大类数值方法研究光子晶体光纤,第一类是已有的用于分析光波导的通用的数值方法。
这类方法通用性强、结果可靠等特点,很快被应用于研究光子晶体光纤,其主要缺点是由于未考虑光子晶体光纤的特点,因而计算量较大,精度方面一般也稍差一些。
第二类是专门针对光子晶体光纤或光子晶体提出来的新方法,针对性强,在计算方面有其优势,如平面波展开法在计算光子带隙,周期孔包层模的有效折射率效果好、计算量小;多极法可以获得很高精度的模式有效折射率和损耗值等。
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。
空心光纤
空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。
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（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，所以折射率波导型光子晶体光纤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。
但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。
带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。
采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。
传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。
通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。
因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤（HC-PCF）比传统光纤更有优势。
与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。
相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。
多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。
在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。
要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。
这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100nm粗。
这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。
因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。
尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似。
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。
圆形光子晶体光纤
圆形光子晶体光纤
圆形光子晶体光纤是一种基于光子晶体原理的新型光学材料，它最显著的特点是能够选择性地阻挡某些频率范围内的电磁波。
圆形光子晶体光纤的原理主要有三种：
- 折射率导光型光子晶体光纤：这种原理与传统光纤类似，都是利用光的全反射原理导光。
但传统光纤的基本结构是高折射率的纤芯外面包裹低折射率的包层，而折射率导光型光子晶体光纤的纤芯和包层折射率差异不大。
- 光子带隙型光子晶体光纤：这种原理利用了光子晶体对波长选择性透过的性质。
由于光子晶体具有光波长尺度的周期性微结构，导致它对不同颜色的光“区别对待”，能够阻挡某些波长的光。
这种光纤并不要求纤芯的折射率高于包层，因此光纤的中心部分可以是空气。
- 具有独特拓扑性质的光子晶体：这种原理的光纤材质特殊，形状像是缠绕交织的藤蔓。
沿着螺旋路径改变“藤蔓”的粗细，光就可以被限制在螺旋的中心轴处。
这种光纤的优点是信号只能朝一个方向传输，即使遇到障碍也不会“掉头”。
圆形光子晶体光纤具有许多优越的特性，在许多方面都有潜在的应用价值，如在通信、传感和光学成像等领域。
光子晶体在物理芯片中的应用研究
光子晶体在物理芯片中的应用研究光子晶体是一种新型的光学材料，由于其特殊的光学性质，被广泛应用于物理芯片中。
本文将以“光子晶体在物理芯片中的应用研究”为题，探讨光子晶体在物理芯片技术中的重要性和应用前景。
一、引言随着科技的不断进步，物理芯片在现代社会中扮演着至关重要的角色。
然而，传统的电子技术存在一些瓶颈，例如速度和功耗的限制。
为了克服这些问题，人们开始寻找新颖的材料和技术，其中光子晶体引起了广泛的关注。
二、光子晶体的基本原理光子晶体是一种由周期性调制的折射率分布构成的材料。
其具有不同于普通材料的光学性质，能够限制不同波长的光在其中的传播。
光子晶体利用其特殊的结构，可以实现对光的操控和调制，被视为下一代光电子器件的重要候选。
三、光子晶体在物理芯片中的应用1. 光通信光子晶体的一个重要应用是在光通信领域。
传统的光通信系统中，光的传输受到光纤的折射率和色散等因素的限制。
而光子晶体光纤由于其结构的特殊性，可以控制和调节光的传播特性，有效地降低光纤的损耗和色散，提高光信号的传输效率和质量。
2. 光控制器件光子晶体具有可调控和可调谐的折射率，这使得其在物理芯片中的光控制器件方面具有巨大潜力。
通过调节光子晶体的结构或应变等参数，可以实现对光信号的调制、开关和滤波等功能。
这些特性使得光子晶体在光学集成电路和光电子芯片中的应用得到了广泛的研究和探索。
3. 光传感器另一个光子晶体在物理芯片中的重要应用是光传感器。
光子晶体的结构可以通过微调来实现对特定波长的光的选择性吸收。
这使得光子晶体在生物医学、环境检测等领域的光传感器应用中具有显著的优势。
光子晶体光传感器的高灵敏度和高选择性使其成为一种理想的检测和分析工具。
四、光子晶体在物理芯片中的挑战和前景尽管光子晶体在物理芯片技术中展现出了巨大的潜力，但其实际应用还面临着一些挑战。
首先，制备和集成光子晶体需要精确的制造工艺和高昂的成本。
其次，光子晶体的设计和优化也是一个复杂的问题，需要充分考虑光学性质和制造条件等因素。
光子晶体技术在光电子学中的应用
光子晶体技术在光电子学中的应用随着科技的发展，光电子学作为一种新兴的学科逐渐受到人们的关注，而光子晶体技术作为光电子学中的重要组成部分之一，则更是备受人们瞩目。
那么，什么是光子晶体技术呢？它在光电子学中的作用是什么呢？一、光子晶体技术是什么光子晶体技术是一种新兴的材料技术，它是在微观尺度上制造具有特殊光学性能的孔阵列的。
所谓光子晶体，就是指这些孔阵列具有不同的折射率和电磁波学特征，可以影响光的传播。
二、2.1 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种基于光子晶体技术的新型光学纤维，它能有效地避免信号的损耗和干扰，并且具有优异的传输性能。
因此，光子晶体光纤被广泛应用于通信和传感等领域。
2.2 光子晶体调制器光子晶体调制器是一种利用光子晶体技术制造的器件，它能够调节光的相位和强度，并且具有很高的调节速度和稳定性。
因此，光子晶体调制器被广泛应用于光通信和光雷达等领域。
2.3 光子晶体薄膜太阳能电池光子晶体薄膜太阳能电池是一种利用光子晶体技术制造的新型太阳能电池，它能够有效地提高光电转换效率，并且具有良好的稳定性和可靠性。
因此，光子晶体薄膜太阳能电池被广泛应用于太阳能发电和光伏领域。
2.4 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体技术的新型激光器，它能够提供高度单色性和高效的激光输出，并且具有较低的噪声和较小的体积。
因此，光子晶体激光器被广泛应用于激光制造、材料加工和医疗等领域。
2.5 光子晶体感应器光子晶体感应器是一种利用光子晶体技术制造的新型传感器，它能够高灵敏度地检测光、电磁场、声音和化学物质等各种信号，并且具有较高的准确性和稳定性。
因此，光子晶体感应器被广泛应用于环境监测、医疗检测和生物传感等领域。
三、结语光子晶体技术作为一种新兴的材料技术，已经在光电子学中得到了广泛的应用。
它不仅为光电子学的发展提供了新的思路和方法，而且也为我们生活和工作带来了更多的便利和创新。
我们相信，在不久的将来，光子晶体技术一定会在更多的领域得到应用，并且为人类的进步和发展做出更大的贡献。
空心光子带隙光纤
空心光子带隙光纤空心光子带隙光纤（Photonic Bandgap Fiber，PBG）是一种基于光子带隙原理设计的新型光纤。
相比于传统光纤，空心光子带隙光纤具有更低的色散和更宽的光带宽，这使得它在光纤通信、传感等领域具有广泛的应用前景。
空心光子带隙光纤的基本原理是利用光子带隙现象，即在光子晶体中，由于光子的干涉效应，会形成频率范围内不能传播的光子带隙。
在空心光子带隙光纤中，将空气作为芯层，利用光子带隙现象，将光限制在芯层中传输，从而实现了低损耗、低色散的光传播。
空心光子带隙光纤不同于传统光纤的结构，它的芯层是由一系列环状的光子晶体排列而成的。
在这些环状光子晶体之间，存在着空气通道，这些空气通道形成了一个光子带隙，使得在这个频率范围内的光不能在空气通道中传播，只能在芯层中传输。
相比于传统光纤，空心光子带隙光纤具有以下几个优点：1.低损耗：空心光子带隙光纤的芯层是由空气通道组成的，这使得光在传输过程中几乎不会与物质发生相互作用，从而减少了光的衰减，降低了损耗。
2.低色散：空心光子带隙光纤的芯层结构可以有效地抑制色散效应，使得光在传输过程中色散系数很小，从而可以实现更高速率的数据传输。
3.宽带宽：空心光子带隙光纤的芯层结构可以实现更宽的光带宽，从而可以支持更高速率的数据传输。
4.可调谐性：空心光子带隙光纤的芯层结构可以通过改变光子晶体的结构参数来调节光子带隙的位置和宽度，从而实现对光的谱特性的调节。
空心光子带隙光纤在光纤通信、传感等领域具有广泛的应用前景。
在光纤通信中，空心光子带隙光纤可以实现更高速率的数据传输，从而满足日益增长的数据传输需求；在传感领域，空心光子带隙光纤可以实现更高灵敏度、更高分辨率的传感器，从而可以应用于医学诊断、环境监测等领域。
空心光子带隙光纤是一种具有广泛应用前景的新型光纤，它的低损耗、低色散、宽带宽和可调谐性等优点，为光纤通信、传感等领域的发展带来了新的机遇和挑战。
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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
• 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 • 无休止单极特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
总结
光导纤维 是由两层折射
率不同的玻璃组成。内层 为光内芯，直径在几微米 至几十微米，外层的直径 光子晶体光纤（PCF）是 基于光子晶体技术发展起 来的下一代传输光纤。光 子晶体光纤在外观上和传 统普通单模光纤非常相似， 但是微观上光子晶体光纤 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。
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
光子晶体光纤的特性
0.1 ～ 0.2mm 。一般内芯
玻璃的折射率比外层玻璃 大1%。
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有三个突出的优点 :
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。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到 1 μ m 以下。
光导纤维是由两层折射率不同的
传统光纤
通信应用
1
传统光纤
传感器应用
医学应用
传统光纤
通信应用
1
传统光纤
传感器应用
医学应用
传统光纤
通信应用
1
传统光纤
传感器应用
医学应用
光子晶体的概念
光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和
E.Yablonovitch分别独立提出。 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。
光子晶体的概念
从晶体结构来说，晶体内部的原子是 周期性有序排列的，正是这种周期势 场的存在，使得运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结 构，带与带之间可能存在带隙。
光子晶体的概念
光子在光子晶体中的运动规律与电子在固 体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中 介电函数的周期性变化能产生光子能带结 构. 当电磁波在周期性排列的介电材料中 传播时,由于在不同介质交界面处介质对 电磁波的布拉格散射,电磁波将受到调制 而形成能带结构,并导致在带与带之间光 子能隙的出现. 光子能隙不仅与光子能量 有关,而且与光波的传播方向有关. 光子能 隙可分为两种:一种不完全能隙,能隙只出 现在某些特定的方向上;另一种是完全能 隙,即在各个方向上都有能隙存在. 如果光 子落在完全能隙内,则此频率的光在该光 子晶体中沿任何方向都不能传播,这就是 所谓的光子禁带.
敬请批评指正！ 谢谢大家！
光子晶体的应用 1、自然界中的应用
蛋白石
蝴蝶
光子晶体的应用 2、人类应用
（一）光子晶体波导具有
优良的弯曲效应。 一般的光纤波导中，波导拐弯时，全 内反射条件不再有效．会漏掉部分光波 能量，使传输效率降低。而光子晶体弯 曲波导中，利用不同方向缺陷模共振匹 配原理。原则上只要达到模式匹配，不 管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。