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。
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
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。
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤是一种新型的光传输方法。
与传统的光纤不同
的是，空芯光子晶体光纤的芯部是空心的，而不是实心的。
其设计基
于光子晶体的原理，在光子晶体的结构中，由于周期性的介质分布，
光子禁带结构可被形成。
这种结构使得该光纤能够抑制模式色散和损耗，使得光信号能够更加稳定地传输。
与传统光纤相比，空芯光子晶体光纤具有更低的色散和更高的带宽。
由于其空芯设计，在光传输时能够避免光信号与固体材料相互作
用的干扰，避免了散射和损耗，以及光信号逐渐带来的毛刺和模式失
真等问题。
此外，在光传输过程中，光信号和空气相互作用，并避免
了温度等因素对光信号的影响，使其能够在更宽广的温度范围内工作。
空芯光子晶体光纤除了能在光通信领域中应用，也有广泛的其他
应用。
例如，空芯光子晶体光纤应用于气体检测领域，可以实现高灵
敏度的气体检测，而且对于不同的气体，探测灵敏度也有所不同。
此外，空芯光子晶体光纤也能够用于传感领域，例如用于测量温度、压力、应力等物理量，获取准确的传感数据。
空芯光子晶体光纤的出现将推动光通信和光传感领域的发展和进步。
在未来，它有望成为新一代的光纤传输技术，并且有望将成为许
多新型光学仪器和设备的重要组成部分。
然而，由于其制造技术颇为
精密，研究和制造成本较高，目前仍处于相对早期的应用阶段。
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。
光子晶体光纤简介及原理
光子晶体光纤简介及原理
一、光子晶体光纤简介
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF），又称为微结构光纤，是一种新型的光纤，其特点是具有周期性的折射率分布。
这种光纤的设计灵感来源于自然界中的光子晶体，即具有周期性折射率变化的介质。
光子晶体光纤在通信、传感、激光等领域有着广泛的应用前景。
二、光子晶体光纤的原理
光子晶体光纤的核心原理是光的全内反射和光子带隙效应。
光的全内反射是指当光线在介质中遇到界面时，如果入射角大于某一临界角，光线会在介质内部发生反射而不透射。
光子带隙效应是指当光在具有周期性折射率变化的介质中传播时，某些特定波长的光会被禁止传播，这种现象类似于电子在固体材料中的能带结构。
光子晶体光纤通过控制折射率分布，使得光纤中的光波被限制在纤芯中传播，从而实现光的传输和控制。
这种光纤的折射率分布可以精确地设计，从而实现对光波的特定控制，例如改变传输模式、提高传输效率、产生特定波长的激光等。
三、光子晶体光纤的特点
1.传输特性：光子晶体光纤具有独特的传输特性，可以改变传输模式、控制
光谱特性等。
由于其周期性的折射率分布，光纤可以对光的传输进行精细化控制，使得光的传输更加稳定和高效。
2.制作工艺：光子晶体光纤的制作工艺比较复杂，需要精确控制材料的组分
和工艺参数。
但是随着技术的不断发展，人们已经可以通过多种方法制备出具有特定折射率分布的光子晶体光纤。
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。
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。
光子晶体光纤概述
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由S.jhon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。
光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。
与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。
当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。
我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。
可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。
1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。
1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。
1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。
目前，有关光子晶体光纤（PCF）的研究重点有：理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。
2.光子晶体光纤的结构及其导光原理就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。
空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。
PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，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。
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。
光子晶体光纤的制备概要
预制棒的制备
预制棒制备示意图
毛细管的拉制
首先，根据要设计的PCF结构参数，决定 要拉制的毛细管外径大小和壁厚。选择具 有良好光学表面和结构参数的石英玻璃管 进行严格清洗后，拉制成毛细管。毛细管 的形状可以是六边形，也可以选择圆形。 由于最终获得的光子晶体光纤结构参数要 达到微米数量级，因而拉制的毛细管有一 点微小的形变，都会对光子晶体光纤的结 构产生巨大的影响。
拉制过程中温度的影响
拉制光子晶体光纤过程中，对温度的控制显得极为 重要，因为玻璃的表面张力、粘度均受到温度的影 响。一般来说温度升高，玻璃液表面张力和粘度都 会减小。拉丝是靠破璃液在一定高温范围内，有一 定合适的成型粘度范围才能正常进行的。低于此粘 度范围，破璃液粘度太稀，会形成不连续的液滴而 断丝；高于此粘度范围，玻璃液太稠，拉丝张力过 大造成断丝。因此在拉丝生产过程中，加热炉的温 度一定要均匀，还要精密控制炉子的温度。
注 意
在拉制毛细管的过程中严格控制以下两个方 面：一个是保持光纤横截面不发生形变，另 一个是确保光纤纵向均匀，不能拉成锥形。 否则在堆积时，就无法使得毛细管排列保持 周期性和紧密性。
毛细管的堆积
堆拉法的灵活性就表现在毛细管的堆积过 程，此过程制作的预制棒相当于PCF的放 大版。利用堆积法可以制造出不同结构的 预制棒，比如制造单个高折射率纤芯、多 个高折射率纤芯、椭圆纤芯、空气纤芯以 及集成式光纤预制棒，或是通过改变包层 中空气孑L的几何尺寸和排列方式制备出各 种性能不同光纤的预制棒。
拉制过程中表面张力的影响
预制棒在拉制后之所以能保持完好的 周期性孔分布，是与表面张力的作用 密切相关的。对于PCF，由于表面面 积很大而且材料空间很小，使得表面 张力极为重要。在光子晶体光纤成型 时，出口处的丝根会保持成新月形状。 新月形状的形成是玻璃液的向上的表 面张力和向下的粘性牵伸力平衡的结 果。如果表面张力太大，而相对地讲 粘度太小，则由于向上的表面张力占 优势而将丝根向回缩成液滴状，中断 了纤维成形过程。
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光子晶体的分类
一维
二维
三维
光子在光子晶体①中的运动规律类似于电子 在固体晶格中的运动规律，当光子在光子晶体中 传播时，空间周期性排列的不同介电常数材料对 光子形成布拉格散射，出现能带结构，并导致在 带与带之间出现类似于半导体禁带的光子带隙的 出现。
背景
1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首 次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。即：在石 英光纤中沿轴向周期排列着波长量级的空气孔。
4.2 光子晶体光纤的传输特性
4.2.1 损耗特性 4.2.2 色散特性 4.2.3 双折射 4.2.4 非线性 4.2.5 无截止波长单模传输
散射损耗
• • •
最初全反射型光子晶体光纤的损耗约为几百dB/km 2004年Tajima等报道了在1550nm处损耗为0.37dB/km光子 晶体光纤 2005年，NTT公司的Zhou等报到了在1550处损耗为 0.28dB/km、1380nm处损耗为1.38dB/km光子晶体光纤，该 光纤对OH-根吸收峰位置的损耗做到了很好的抑制
2005年，Shephard等使用2m19芯光子带隙光纤实现 了脉冲宽度65ns、脉冲能量为0.533mJ（对应峰值能 量14kW）、重复速率15kHz的高能激光传输。对比 7芯光子带隙光纤，由于其模式场更接近高斯线性， 耦合效率提高80%
1064nm
2008年，Amezcua-Correa等报道通过减小紧邻光纤芯子处的石英玻 璃薄层的厚度（为此前报道的一半），消除了7芯光子带隙光纤的 表面模，其宽带为1450nm-1750nm，最低损耗为15dB/km，在300nm 宽带内损耗低于50dB/km。此外光纤在1490-1690nm的200nm谱宽范 围内色散斜率为0.3ps/（nm2*km）这对高功率脉冲的孤子压缩有重 要意义。 最近，Ishaaya等通过将Ti：Sapphire激光、1kHz重复频率、中心 波长810nm脉冲能量1mJ的40fs脉冲（线偏振输入高斯脉冲）高效耦 合到光子带隙光纤（耦合效率为98%），获得了超过1014W/cm2的峰 值功率密度。
FBG-PCF
最早的光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类 似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置在一个蜂窝 单元中心处增加一个空气孔，从而引入缺陷，形成芯区。
两种光纤的导模原理
上图所示的简单结构，芯区为低折射率 区，被高折射率包围，此时芯子中的任意角 度的入射光在n1和n2交界面处都发生反射和 透射，芯子中的光会随着传播距离的增大迅 速衰减，无法被束缚而形成导模。
1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研 制出世界上第一根全内反射型PCF，1998年Knight 等又率先拉制出光子带隙型PCF。
光子晶体光纤的分类
PCF导光机制分为两种，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，另外一种光 子带隙光纤（FBG-PCF）
光子晶体光栅的应用实例
2003年英国Bath大学研究人员报道了一种 利用高双折射光子晶体光纤制作的 Rocking滤波器，具有良好的性能（如图）
4.4 光子晶体光纤在能量传输中的应用
2004年，Shephard等首次报道了1064nm的Nd： YAG激光在空心带隙光纤中的高功率传输。激光 脉冲能量为0.37mJ、脉冲宽度65ns、复速率15kHz。 实验中使用7芯光子带隙光纤，光纤芯子直径约为 8.2um，光子晶体包层包含7层高占空比空气孔， 光纤长度为1m。
了解
4.3 光子晶体光纤光栅
由于光子晶体光纤特有的空气孔结构，可以在其内填充聚合 物、液晶等物质，利用控制温度、电场等外界条件的方法，谐振填 充物质的折射率，从而达到对光子晶体光纤光栅的谐振波长和谐振 强度进行调谐的目的 2000年，Eggleton及 Westrook制备出聚合物-石 英混合波导光子晶体光栅， 是在周期为550nm的光子晶 体光纤光栅包层空气孔注 入丙烯酸聚合物并通过紫 外光照射加速聚合物凝固。 该聚合物-石英混合波导光 子晶体光纤光栅在25-120摄 氏度的温度区间，谐振波 长漂移量⑥超过100nm，为 普通光纤布拉格光栅的10 倍以上。
了解
双折射
光子晶体光纤的出现为保偏光纤的研制提供了一条新 思路，由于光子晶体光纤横截面上折射率分布的对称性直 接由空气孔的大小和分布决定，因此通过适当的调整空气 孔的大小和排布可以达到破坏折射率对称性的目的，从而 人为的引入双折射。 由于光子晶体光纤通常是由单一的纯石英玻璃材料形 成，所以在温度稳定性和抗核辐射方面都较传统的保偏光 纤有很大的改善。另外，光子晶体光纤还具有无截止单模、 大有效面积和色散可控等优良性质，与高双折射特性相结 合，可以制作出特殊性能的保偏光纤。
一些例图
只供欣赏
• 2007年ECOC会议上NTT公司报道 了光子晶体光纤的损耗已经较低到 了0.18dB/km，（这个损耗已经小 于普通商用单模光纤的损耗，与目 前最好的纯石英芯光纤的损耗水品 0.148dB/km接近）
对于空芯光子带隙光纤，由于其对包层空气结构 的周期性要求要高很多，而且存在表面膜③等因 素的负面影响，就目前的水平而言，其传输损耗 较全内反射型要大一些，2005年，Bath大学的 Roberts等报道了空芯光子带隙的损耗达到了 1.2dB/km，如图
光子晶体光纤与传统越阶式光纤区别
不大懂
其他类型光子晶体光纤
全固光子晶体光纤 布拉格光纤
布拉格光纤
不详细介绍
光子晶体光纤的数值分析法
等效折射率模型 平面波方法 基于本地正交函数法 多极方法 时域有限差分法 有限元法
光子晶体光纤的制作
1.完成预制棒的设计和制作，预制棒里包含了设计结构 2.将预制棒放在光纤拉丝塔中，利用普通光纤的拉丝方
光子晶体光纤的损耗主要分为三类： （1）散射损耗 （2）吸收损耗 （3）限制损耗（光子晶体光纤特有，由于光子晶体 光纤包层空气孔的有限性引起的）
光子晶体光纤的谱损耗：
缺陷损耗 瑞利散射④损耗 紫外吸收损耗 红外吸收损耗
与光纤结构有 关的限制损耗
杂志吸收损耗
降低光子晶体光纤的损耗措施：
色散特性
TIR-PCF
如图所示为最早的全内反射型PCF，该光纤包层由周期 性的空气孔排列形成，芯子位置缺少一个空气孔，由 石英玻璃材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层 的有效折射率。此时导模机制类似于传统阶跃光纤的 全内反射机理。 PCF的特性与其结构紧密相关，只要改变空气孔在包层 中的分布规律和大小就可以设计出不同特性的PCF。
法在更精确的温度和速度中控制下拉制成符合尺寸要求 的光子晶体光纤 3.在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体的压强 和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获 得一系列的不同结构的光子晶体光纤
a. 毛细管堆积方法制作预 制棒 b. 石墨炉，温度18002000℃ c. 拉制成光子晶体光纤
预制棒的制作
C 真空中的光速 波长 光纤中模式传播常数 k0 自由空间波矢量 nm 材料折射率对波长 的依赖关系
ne
, nm
k0
D Dw Dm
D Dw Dm
光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折 射率差，光线中的空气孔的大小和排列方式可以 灵活设计，所以，光子晶体光纤可以灵活地设计 散射特性，如图：
• 毛细管组合法
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
• 溶胶-凝胶法
1. 将溶胶浇注成设计成的结构使 其凝胶 2. 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
1. 在构成预制棒的玻璃棒中插入 可被酸腐蚀的玻璃材料 2. 将它们按设计要求排列好并融 化成型 3. 利用酸腐蚀掉不需要的部分形 成的空气孔
下图所示为全发射型光子晶体光纤结构， 包层中存在周期性排列的低折射率n2单元， 使得光波所看到的平均折射率角的条件下，芯子中的光会在n1和n2交界面 处都发生全反射（与传统光纤类似），此时 模式场将会因全反射在光纤芯子中传播。
中图所示为光子带隙型光子晶体光纤结构，要想使光波 在折射率为n2的介质中传播，其传播常数β应小于材料 的折射率乘以真空中波数n2k0，此时光波能在所有介质 中传播，而当包层中各介质层满足布拉格条件时，会产 生严重的散射和干涉效应，在多重散射和干涉叠加的影 响下，光波的大部分能量可以被束缚在中心的低折射率 区中形成导模传输。某些结构的全内反射型光子晶体光 纤，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射 导模和光子带隙共存，其包层也可以提供光子带隙效应， 从而使得全反射导模和光子带隙导模共存。
第四章 光子晶体光纤
目 录
4.1 光子晶体光纤发展沿革 4.2 光子晶体光纤的传输特性 4.3 光子晶体光纤光栅 4.4 光子晶体光纤在能量传输中的应用
4.1 光子晶体光纤发展沿革
光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是在1987 年由普林斯顿大学的 S.John和美国贝尔通讯 研究中心的 E.Yablonovitch分别独 立提出，是由不同折射 率的介质周期性排列而 成的人工微结构。