光子晶体光纤
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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）
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
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。
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。
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将低于n1，由 于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入 射角的条件下，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。
一些例图
只供欣赏
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
• 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
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。
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。
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
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：
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层高占空比空气孔源自文库 光纤长度为1m。
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
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。
• 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
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。
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）
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
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。
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。
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将低于n1，由 于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入 射角的条件下，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。
一些例图
只供欣赏
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
• 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
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。
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。
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
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：
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层高占空比空气孔源自文库 光纤长度为1m。
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
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。
• 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
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。