光子晶体PCF毕业设计
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本科毕业设计模板天津工业大学毕业设计（论文）四方晶格微机构光纤的带隙特性分析姓名：院(系)别：信息与通信工程学院专业：班级：指导教师：职称：6 月日天津工业大学毕业设计（论文）任务书院长教研室主任指导教师毕业设计（论文）开题报告表年 1 月 10 日天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（设计类）摘要随着通信技术的发展，对光纤的应用要求也越来越高，然而由于传统光纤本身身存在着一定的局限性，使其在某些特殊情况下无法发挥光纤传输的特点，这也为光子晶体光纤的研究和生产创造了条件。
设计出速度快，损耗小且具有一系列特性的光纤己成为光纤发展的一个重要方向。
光子晶体光纤的周期性包层结构具有光子禁带效应, 能够将某些波长的光限制在纤芯区域内传播, 光子禁带效应将光束限制在纤芯区域传输，它具有许多传统光纤难以实现的特性, 例如: 无限单模特性、奇异色散特性、高双折射和低损耗特性等,光子晶体光纤具有独特的导光机制和比传统的普通光纤更加良好的导光特性，广泛应用于光通信、非线性光学等领域。
比起传统光纤具有更为广阔的发展前景，因此对带隙型光子晶体光纤特性的研究也具有更重要的意义和价值。
随着科技的发展，制造成本的下降，光子晶体光纤必会在实际工程中得到广泛应用。
本文对光子晶体光纤的概念，特性，导光机制及理论研究方法做了深入的研究，着重对包层空气孔为正四边形结构的光子晶体光纤进行了研究，利用平面波展开法和时域有限差分法针对带隙型光子晶体光纤做了理论计算与分析，而且应用Rsoft对其做了文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
仿真分析，并得出了一系列结论。
关键词：光子晶体；光子晶体光纤；平面波展开法；时域有限差分法；Rsoft文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
ABSTRACT"[内容应与中文摘要相同。
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光子晶体毕业设计收集资料
引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，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。
独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。
在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。
以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。
近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。
目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。
本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述§1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。
因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。
光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。
科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。
1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙内被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。
带隙型光子晶体光纤研究与应用
带隙型光子晶体光纤研究与应用带隙型光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种由周期性排列的微纳结构构成的光纤。
与传统的光纤相比，PCF具有非常独特的光学特性和潜在的广泛应用。
在近年来，PCF的研究与应用引起了广泛的关注。
首先，PCF的最大特点之一是具有宽、平坦的带隙。
由于光子晶体结构中周期性排列的空孔或者材料折射率的变化，PCF可以在特定波长范围内选择性地抑制或允许光的传输。
这种带隙效应可以实现对特定波长的光的高效传输和控制，从而在光通信、传感器、激光器等领域具有广泛的应用前景。
其次，PCF还具有超分布反射效应（Total Internal Reflection，简称TIR）。
由于PCF的折射率分布是周期性的，这种结构可以实现对光的总反射，避免光的泄露和损耗。
这种TIR效应使得PCF可以实现高效的单模传输，从而提高光纤的传输容量和质量。
此外，PCF还具有较大的模场直径，可以在大的模场直径下实现低损耗的传输。
这一特点使得PCF在高功率应用中具有潜力，如医学激光手术、材料加工等领域。
最后，PCF还可以通过控制其微纳结构的设计和改变，实现多种光学性质和功能的调控。
例如，通过调整空孔的直径和间距，可以调节PCF的色散特性，实现超短脉冲的传输与控制。
通过引入掺杂物质或者改变微纳结构的形状，PCF还可以实现光子晶体光纤传感器，用于监测温度、压力、浓度等物理量，并且具有高灵敏度和高分辨率。
基于以上的特点，PCF在光通信、光传感器、激光器等领域具有广阔的应用前景。
例如，PCF可以用于增强和优化光纤通信系统的传输性能，提高传输能力和质量。
在光传感器领域，PCF可以实现高灵敏度和高分辨率的传感效果，应用于环境监测、生物传感等领域。
此外，PCF还可以用于光纤激光器的设计与制备，为激光器的发展提供新的思路和方法。
总之，带隙型光子晶体光纤具有独特的光学特性和广阔的应用前景。
随着对PCF的研究与应用的深入，相信PCF将在各个领域得到更多的关注和应用，为光学通信、传感器、激光器等技术的进步和创新提供新的解决方案。
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一一、引言随着现代科技的不断发展，光子晶体光纤（PCF）因其独特的物理和光学特性，在传感器技术领域得到了广泛的应用。
其中，光子晶体光纤光栅（PCF-Bragg Grating）作为一种重要的光学元件，具有高灵敏度、高分辨率以及良好的稳定性等优点，被广泛应用于折射率传感领域。
本文旨在研究光子晶体光纤光栅的折射率传感特性，为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、光子晶体光纤与光栅原理1. 光子晶体光纤（PCF）原理光子晶体光纤是一种基于光子晶体原理的光纤，其内部结构具有周期性排列的微结构。
这种结构使得光子晶体光纤在光传输过程中具有较低的损耗和较强的约束能力，可有效控制光的传播方向和模式。
2. 光栅原理光栅是一种具有周期性结构的衍射元件，其作用是将入射光束分解成多束衍射光束。
在光子晶体光纤中引入光栅结构，可形成光子晶体光纤光栅（PCF-Bragg Grating），其具有对特定波长或波长范围的光束进行选择性衍射的能力。
三、PCF-Bragg Grating折射率传感特性研究1. 实验原理与方法本研究采用PCF-Bragg Grating作为传感器元件，通过测量衍射光谱的变化来反映外界折射率的变化。
实验中，我们使用不同浓度的溶液作为折射率变化的介质，将PCF-Bragg Grating浸入不同浓度的溶液中，观察其衍射光谱的变化情况。
同时，我们还采用光谱仪等设备对衍射光谱进行精确测量和分析。
2. 实验结果与分析实验结果表明，当PCF-Bragg Grating浸入不同浓度的溶液中时，其衍射光谱发生了明显的变化。
随着溶液浓度的增加，衍射光谱的峰值波长逐渐发生红移或蓝移。
这一现象表明PCF-Bragg Grating的折射率传感特性具有良好的灵敏度和分辨率。
此外，我们还发现PCF-Bragg Grating的稳定性较好，能够在不同环境下保持较高的测量精度和可靠性。
为了进一步分析PCF-Bragg Grating的折射率传感特性，我们采用了多种数学方法对实验数据进行处理和分析。
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一摘要：本文旨在研究光子晶体光纤光栅（PCF-FBG）在折射率传感方面的特性和应用。
首先，通过对光子晶体光纤及光纤光栅的基本原理进行概述，分析PCF-FBG的结构特点和传感原理。
随后，通过实验和模拟相结合的方式，探究PCF-FBG在不同环境折射率下的传感响应，并对其传感特性进行详细分析。
最后，总结PCF-FBG在折射率传感领域的应用前景及潜在优势。
一、引言随着科技的发展，光纤传感器因其高灵敏度、抗干扰能力强等优点，在众多领域得到了广泛应用。
其中，光子晶体光纤（PCF）因其独特的光学特性，在传感领域展现出巨大的潜力。
而光纤光栅（FBG）作为一种重要的光纤无源器件，其与PCF的结合，即光子晶体光纤光栅（PCF-FBG），在传感领域具有独特的优势。
本文将重点研究PCF-FBG在折射率传感方面的特性和应用。
二、光子晶体光纤及光纤光栅概述1. 光子晶体光纤（PCF）的基本原理与结构特点光子晶体光纤是一种具有周期性折射率变化的光纤，其特殊的结构能够控制光的传播路径，使得光纤中的光场得以有效限制和调控。
2. 光纤光栅（FBG）的传感原理光纤光栅是通过在光纤中制造周期性折射率变化来实现的，它对外部环境的物理量（如温度、应力、折射率等）具有较高的敏感度，可应用于多种传感器中。
三、PCF-FBG的结构与传感原理1. PCF-FBG的结构特点PCF-FBG是将PCF与FBG相结合的产物，它既具有PCF的光学特性，又具有FBG的传感特性。
其结构由周期性折射率变化的光子晶体光纤和光纤光栅组成。
2. PCF-FBG的传感原理PCF-FBG通过检测外部环境折射率的变化引起的光信号变化来实现传感。
当外部环境折射率发生变化时，PCF-FBG的光谱特性会发生变化，从而引起光信号的变化，这种变化可以被检测并转换为电信号，实现对外界折射率的测量。
四、实验与模拟研究1. 实验方法与步骤通过搭建实验平台，对PCF-FBG在不同环境折射下的传感响应进行实验研究。
光子晶体材料的制备与性能研究毕业论文
光子晶体材料的制备与性能研究毕业论文在这篇论文中，我将探讨光子晶体材料的制备与性能研究。
光子晶体是一种具有周期性介电常数或折射率的材料，它能够控制光的传播与调制光的特性。
本文将从制备方法、性能表征以及应用方面进行讨论。
一、光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括自组装法、模板法和光刻制备法。
自组装法是以相互吸引的机理，通过控制分子或胶体颗粒的组装行为，形成周期性结构。
模板法通过使用二维或三维模板，将材料填充到模板孔隙中，形成光子晶体结构。
光刻制备法则使用光刻技术制备微米尺度的结构，然后通过沉积材料形成光子晶体。
二、光子晶体的性能表征光子晶体的性能主要通过光学、电学和磁学等方面进行表征。
光学性质主要包括禁带、折射率、反射光谱等；电学性质则涉及电介质常数、局域场强度分布等；磁学性质则与材料的磁导率有关。
这些性质的表征可以通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线衍射等技术手段来实现。
三、光子晶体的应用光子晶体由于其具有特殊的光学性质，在光学通信、传感器、光子芯片和光学器件等领域都有广泛的应用。
在光学通信领域，光子晶体光纤的应用可以实现光信号的高速传输和光波导的低损耗。
在传感器领域，光子晶体材料可以用于制备高灵敏度和高选择性的传感器，用于检测环境中的温度、压力和化学物质等参数。
在光子芯片和光学器件领域，光子晶体的周期性结构可以用于构建光学滤波器、光学波导器件和光学集成芯片。
四、光子晶体材料的研究进展与挑战当前，光子晶体材料的研究主要集中在对制备方法的改进和性能的优化上。
例如，通过改变自组装条件、选择合适的模板材料以及控制光刻参数等，可以实现更高质量的光子晶体材料制备。
此外，还可以通过改变材料的组成、形貌和结构来优化光子晶体的性能，以实现更广泛的应用。
然而，光子晶体材料的制备仍然面临一些挑战，如制备过程的复杂性、材料成本的高昂以及光子晶体的稳定性等。
综上所述，光子晶体材料的制备与性能研究是一个具有重要意义的领域。
特殊用途光子晶体光纤设计与研究
特殊用途光子晶体光纤设计与研究1、项目研究意义：E. Yablonowitch 和S. John于1987年开创性地提出光子晶体（Photonic Crystal）这一新概念和新材料，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，将不同的介质材料在一维、二维和三维空间形成具有光波长量级的周期性折射率调制，通过少量的无序结构可实现光子定域。
由于提出的概念太抽象，人们无法预料其应用前景，因此当时并没有得到太多的关注，直到九十年代有人想通过光子晶体使LED的自发辐射进入单一电磁模式、在三维光子晶体腔内实现无自发辐射时，才激发起对光子晶体研究的浓厚兴趣。
在介电常数以光波长周期变化的微结构材料中，光子的运动规律类似于晶体中电子的运动，因此有人将光子晶体称为“光的半导体”。
通过晶体中特殊的缺陷结构控制光子运动，进而控制光子与物质的相互作用，实现如高效率光子晶体激光器、大角度无损耗弯曲波导、无延迟数据传输线等功能性器件，为光电集成、光子集成和光通讯系统提供关键性基础材料，至此全世界范围内对光子晶体的研究热潮全面展开。
可以预见，光子晶体将在光通信、光信息储存和光电子学等信息科学方面引发革命性变革，将在21世纪信息领域扮演极为重要的角色。
据此，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。
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fibers, PCFs）是一种二维光子晶体，由许多平行的空气小孔在背景材料（如二氧化硅）中围绕位于中心位置的缺陷所形成的一种导光介质。
英国Bath 大学Russel 教授所领导的研究小组于1995年首次成功制造出光子晶体结构的光纤，并于1999年首次进行了中空光导演示。
由于其优良的特性和诱人的应用前景，之后迅速得到各国科学家及企业界的热切关注和积极参与。
目前，在光通信领域作为信息传输的PCFs已经进入到实验室的传输试验研究阶段。
《2024年光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一一、引言随着科技的发展，光子晶体光纤（PCF）因其独特的光学特性和卓越的传感性能在光通信、光学传感和光子集成等众多领域得到了广泛的应用。
光子晶体光纤光栅（PCF-FBG）作为其重要组成部分，其折射率传感特性具有高度的灵敏度和准确度，具有非常广阔的应用前景。
本论文将对光子晶体光纤光栅折射率传感特性进行研究，并深入探讨其作用机制。
二、理论基础2.1 光子晶体光纤的介绍光子晶体光纤是由微观尺寸上的光学势产生的类似周期性变化的晶格结构的折射率调节出的晶格材料。
PCF的特性取决于它的光子带隙效应和散射效果。
2.2 光纤光栅的介绍光纤光栅是一种利用光纤材料的光敏性，通过紫外光照射形成的光栅结构。
它具有高反射率、高灵敏度等特点，常用于光纤通信和光学传感等领域。
2.3 折射率传感的原理通过检测外界物理参数对光纤光栅中传播光的干涉和反射信号的影响，来反映外部折射率的变化，即通过光波传播的变化实现折射率的测量。
三、PCF-FBG折射率传感特性的研究3.1 实验装置与实验方法我们采用先进的紫外写入技术制作PCF-FBG，并利用光谱仪和光源等设备进行实验。
通过改变外界折射率，观察PCF-FBG的反射光谱变化，从而研究其折射率传感特性。
3.2 实验结果与分析实验结果表明，PCF-FBG的反射光谱随外界折射率的变化而发生明显的变化。
这种变化与PCF的光子带隙效应和光纤光栅的干涉效应密切相关。
通过分析这些变化，我们可以得出PCF-FBG 的折射率传感特性具有高灵敏度和高准确度的特点。
四、PCF-FBG折射率传感特性的作用机制PCF-FBG的折射率传感特性主要基于其独特的光子带隙效应和光纤光栅的干涉效应。
当外界折射率发生变化时，PCF的光子带隙效应会受到影响，导致光的传播路径和传播速度发生变化。
同时，光纤光栅的干涉效应也会对光的反射和传输产生影响，从而改变反射光谱的形状和强度。
这些变化可以被检测并转化为电信号，从而实现对外界折射率的测量。
《2024年光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一摘要：本文针对光子晶体光纤光栅（PCF-FBG）的折射率传感特性进行了深入研究。
通过理论分析、模拟仿真和实验验证相结合的方法，探讨了PCF-FBG在折射率传感领域的应用潜力。
本文首先介绍了光子晶体光纤及光纤光栅的基本原理，然后详细分析了PCF-FBG的传感机制，最后通过实验数据验证了其高灵敏度和稳定性。
一、引言随着光纤传感技术的不断发展，光子晶体光纤因其独特的物理特性在传感领域得到了广泛应用。
光子晶体光纤光栅（PCF-FBG）作为其中的一种重要技术，具有高灵敏度、高分辨率和良好的稳定性等优点，在折射率传感领域具有巨大的应用潜力。
因此，研究PCF-FBG的折射率传感特性对于推动光纤传感技术的发展具有重要意义。
二、光子晶体光纤及光纤光栅的基本原理1. 光子晶体光纤（PCF）的基本原理：光子晶体光纤是一种特殊的光纤结构，其内部具有周期性排列的空气孔，能够控制光的传播模式和传播速度。
2. 光纤光栅（FBG）的基本原理：光纤光栅是一种利用光纤内折射率变化形成的光纤传感器件，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
三、PCF-FBG的传感机制分析1. PCF-FBG的结构特点：PCF-FBG结合了光子晶体光纤和光纤光栅的优点，具有更高的灵敏度和更好的稳定性。
其结构包括光子晶体光纤基底和在其上刻蚀的光纤光栅。
2. PCF-FBG的传感原理：PCF-FBG通过检测外界折射率变化引起的光信号变化来实现传感。
当外界折射率发生变化时，PCF-FBG的传输模式和传输速度也会发生变化，从而引起光信号的变化。
这种变化可以被检测并转换为电信号，从而实现对外界折射率的测量。
四、PCF-FBG的折射率传感特性研究1. 模拟仿真：通过建立PCF-FBG的仿真模型，分析其在外界折射率变化下的光学特性变化。
模拟结果表明，PCF-FBG具有高灵敏度和良好的线性响应特性。
2. 实验验证：通过搭建实验平台，对PCF-FBG的折射率传感特性进行实验验证。
光子晶体光纤的设计与制备
光子晶体光纤的设计与制备一、前言随着通信技术不断发展和电子设备的迅猛普及，对于高速、大容量通信的需求越来越高。
在这样的需求下，光通信成为了人们重视的一种通信方式。
而光纤作为光通信的传输媒介，其性能对于通信的质量和容量有着重要的影响。
在所有的光纤中，光子晶体光纤的传输性能和实用性是目前最优秀的。
二、光子晶体光纤的概念光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种特殊的光纤，其传输机理和传统光纤完全不同。
光子晶体光纤是由光子晶体结构形成的中空芯光纤，它的芯层结构由环形排列的空心高低不平规律芯柱构成，芯周围是具有光子晶体结构、由空和实组成的材料壳层。
由于光子晶体结构和光学玻璃直接交错，光场暴露在空气和光学玻璃相间的界面上，从而大大加强了光学互作用。
三、光子晶体光纤的优点1.超宽光谱范围：光子晶体光纤由于核心中存在空气，使之呈现出空传模式，从而可以在更大的光波段上运行。
2.强烈色散控制：光子晶体光纤通过调节纵向周期、芯尺寸和纹理，可实现类型、量级可控色散。
3.宽的模式场直径：光子晶体光纤芯层中芯柱的尺寸和排列规律可以随意设计，从而可以获得大范围、强度均匀的模式。
4.光纤之间的高疏密度交叉：由于光子晶体光纤的芯层和壳层被交替排列，可以实现与另一个光波导的穿越或交叉，从而提升了光纤传输的灵活性。
四、光子晶体光纤的制备方法1.拉制法光子晶体光纤的拉制方法和传统光纤相似，只是在拉丝的过程中需要控制高度精度的制备参数，包括预制的毛单丝、预制的光子晶体手段、丝芯和丝壳材料的选取等。
2.叠纸法叠纸法是通过将光子晶体的数个重叠折层固定在一起，在拉制时削减下坠力，再用手摇纤维丝杆使其缠绕。
五、光子晶体光纤的应用1.超高速光通信随着互联网的迅猛发展，对于网络的需求越来越高。
而光子晶体光纤的优异性能，使之特别适合于超高速光通信的场景。
2.光学显微技术传统的光学显微技术只能获得有限的分辨率，但是，利用光子晶体光纤的优异性能，可以制作高分辨率的成像装置，从而可以实现更加细致和准确的显微检测。
光子晶体的光子局域化分析毕业论文
XXX 大学本科生毕业论文光子晶体的光子局域化分析学院一物理与电气信息工程学院专业物理学研究方向光学学生姓名XXXXX学号XXXXXXXXX指导教师姓名 ________ XXXXXXX ______指导教师职称 ________ XXXX _________摘要首先概述了光子品体的基本理论以及发展，然后运用传输矩阵方法算岀一维缺陷光子品体内缺陷模的局域场强分布，结论显示缺陷位置两边分布是低折射率的介质层的构形禁锢光的本领不如两边是高折射率的本领强。
维持缺陷位置光学厚度一定的情况下，缺陷位置折射率相对于其双侧的折射率愈小，光局域本领也就愈强。
当缺陷位置两旁是高折射率的介质时，所探讨的光子品体构形与岀现共振米散射与布拉格散射前提相符时相对局域化长度能获得最低值。
最后简述了光子局域化的应用。
关键词：光子晶体；局域化；缺陷模；相对局域化长度AbstractFirst outlined the basic theory and the development of photonic crystals, and then using the transfer matrix method to calculate one-dimensional photonic crystal defects in local field intensity distribution of defect modes, the conclusion shows that the localization of photons in the structure with a defect layer bordering on high refractive index layers on both sides of the defect layer is stronger than that bordered on low refractive index layers. Maintain the defect position optical thickness certain cases, On both sides of the defect location index relative to its refractive index is smaller, the photon localization is stronger. When the defect layer borders on high refractive index layers on both of its sides, and if both the resonance Bragg scattering and the resonance Mie scattering conditions are satisfied, the relative localization length can get the lowest. Finally briefly photon localization applications.Key words: photonic crystal; localization; defect mode; relative localization length.第一章前言 (1)第二章光子晶体的理论基础及发展 (2)2.1光子晶体的结构 (2)2.2光子晶体基本特征 (2)2.2.1光子禁带 (2)2.2.2抑制自发辐射 (3)2.2.3偏振特性 (3)2.2.4光子局域化 (3)2.3光子晶体的发展 (4)第三章理论分析 (5)第四章研究与讨论 (7)4.1 一维缺陷光子晶体构形对局域化程度的影响 (7)4.2缺陷层折射率对局域化程度的影响 (8)4.3相对局域化长度与缺陷层光学厚度的关系 (9)4.4相对局域化长度与介质层光学厚度比的关系 (10)第五章结论［参考文献］1112第一章前言光子晶体在光学材料研讨领域的国内外学术界里是很受关注的，20世纪80年代John在钻研光子折射率变化和在钻研材料辐射特质时提及光子晶体的定义［l,2］。
完全PCF纤维的设计与制备
完全PCF纤维的设计与制备光纤作为传输信号的重要媒介，已经广泛应用于通信、医疗、科研等领域。
而随着技术的不断发展，利用PCF（Photonic Crystal Fiber，光子晶体光纤）制作出完美光纤的技术已经越来越受到人们的重视。
本文将介绍完全PCF纤维的设计与制备的相关知识。
一、完全PCF纤维的定义完全PCF纤维是指纤芯部分的所有模式都无法参与纵向光传输的一种光纤。
与传统PCF不同，完全PCF纤维不仅限制了纵向模式的传输，也对倾斜模式进行了优化，提高了光纤的传输性能。
二、完全PCF纤维的设计1. 纵向模式的设计完全PCF纤维的设计首先需要考虑纵向模式的限制。
传统PCF 纤维中，纤芯部分的模式密集、多样，需要采用复杂的结构来限制纵向模式的传输。
而设计完全PCF纤维，则需要在纤芯中引入光子晶体结构，通过光子晶体布拉格反射的原理，实现对光传输模式的选择性删减。
2. 倾斜模式的设计除了限制纵向模式，完全PCF纤维的设计还需要关注不同角度下的倾斜模式的传输性能。
为了降低倾斜模式与纤芯之间的耦合，可以在光纤中间加入气孔或者半气孔，来实现对不同角度光线的优化传输。
三、完全PCF纤维的制备完全PCF纤维的制备首先需要进行纤芯的制作，通常采用拉伸法或者双步法制作出光子晶体材料，再使用拉伸法进行纤芯等排列。
在纤芯的外部，通过附加实验来优化其他部分的设计，包括光纤的包覆层、外壳等结构。
完全PCF纤维的制备需要考虑纤芯和其他部分之间的匹配度，同时还需要考虑纤芯内部的气体成分、保护层的材质等因素，以保证光纤的稳定传输和长期使用性能。
四、完全PCF纤维的应用前景相较于传统光纤，完全PCF纤维具有更高的传输带宽和更小的信号衰减率，同时还具有更低的非线性效应和更好的传输性能。
这种光纤可以应用于高速数据传输、激光器超增益、非线性光学、生命科学和传感等领域。
未来随着技术的发展，完全PCF纤维的应用前景将会更加广阔。
综上所述，完全PCF纤维的设计与制备是一个极具挑战性的工作，需要结合光子晶体、纤维材料、光学实验等多个学科和技术领域的知识，才能实现光纤的完美传输性能。
毕业设计(论文)-基于光子晶体光纤的WDM系统的设计
毕业设计（论文）题目基于光子晶体光纤的WDM系统的设计姓名余文志学号 0811122121所在学院理学院专业班级 2008级光信1班指导教师成纯富日期 2012年 05月 22日摘要随着人类社会进入信息时代，人们对信息量的需求不断提高，导致全球信息传输量呈级数增长，对通信网络的带宽、容量和传输速率提出了更高的要求，在这种背景下WDM技术应运而生。
在WDM系统中，理想的光纤应该具有很小的衰减、适当的色散、很低的偏振模色散，较大的有效面积、理想的弯曲损耗特性等。
但传统的光纤很难满足这些要求，这就限制了光网络容量和传输速率的进一步提高。
为了解决这一问题人们开始研究新型光纤，本文所研究的光子晶体光纤就是众多新型光纤中的一种。
理论研究结果表明这种光纤具有很多优良的传输特性，如不截止的单模特性、可控的模场面积、灵活的色散特性、可控的波导色散特性、极低的损耗和极低的非线性效应等。
光子晶体光纤以其独特的传输特性，很好的解决了光纤传输中遇到的损耗、色散和非线性等问题，因而近几年来对光子晶体光纤的研究备受关注。
本文利用Optisystem软件对基于光子晶体光纤的WDM系统的其传输性能做了仿真研究，主要研究了以下内容：1、研究了光子晶体光纤WDM系统光源发射功率对其性能的影响，侧重研究了NRZ码型和RZ码型的光子晶体光纤WDM系统的功率特性。
研究发现：对于两种调制码型在较低功率时噪声对系统的影响占主导因素，在高功率情况时非线性效应对系统的影响占主导，并确定了两种码型的最佳发射功率。
2、研究了码型对光子晶体光纤WDM系统传输性能的影响。
研究发现在低功率时NRZ码型比RZ码型的抗噪性能好；在高功率时RZ码型比NRZ码型的抗非线性能力强。
RZ码型更适合在高速速率的长距离通信系统中使用。
3、研究了传输距离对RZ码型光子晶体光纤WDM系统的影响。
发现传输距离的增加，接收的信号质量严重恶化，分析发现造成传输性能的降低是由于级联结构中EDFA和积累的非线性效应引起的。
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。
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(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，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。
独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。
在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。
以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。
近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。
目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。
本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述§1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。
因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。
光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。
科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。
1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙内被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。
本科毕业设计--非石英软玻璃材料光子晶体光纤的设计
要
内
容
1了解近红外和中红外透明玻璃的种类和各自的透过范围。
2了解这些玻璃的软化温度、流体粘滞特性以及非线性系数。
3设计具有高非线性低损耗的软玻璃光子晶体光纤。
4 对所设计的光子晶体光纤特性进行计算和分析。
基
本
要
求
1．学会查资料，能够通过各种资料系统概括某一研究方向的内容，规范地书写毕业论文。
2．学会提出问题、分析问题和解决问题。
首先，系统地回顾了光子晶体光纤的发展背景，概括了其在光电子器件领域的应用，介绍了光子晶体光纤的无截止单模、色散、非线性和双折射等基本特性；其次，研究了各种非石英玻璃光纤材料的性能，主要有透明范围、流体粘滞特性、线性与非线性折射率、吸收损耗和表面张力等；再次，通过合理的结构设计与材料选择，设计出一种由内到外空气孔尺度渐增的具有高非线性低损耗的光子晶体光纤，采用电磁波传播的多极散射方法对其色散、非线性、损耗特性做出了数值分析；最后，对光子晶体光纤的制备过程进行了介绍，主要包括预制棒的堆积和拉制。本文的工作对设计和制备中红外波段的光子晶体光纤具有参考作用。
Firstly the thesis summarizes the development backgroundandthe various aspects of the applicationof thephoton crystal fibres.I have also introducedthebasic characteristics of thephoton crystal fibre:the endlessly single mode, dispersion, nonlinear and birefringence.Then I summarizesthe basic characteristics of thenon-silica glasses: transmission,viscosity,the linear and the nonlinear of refraction, the wastage and surface tension, etc. Finally, usingthemulti-scatteringmethod, I designed ahighlynon-linear photons crystal fibrewith low loss, through the method offeasible structural designingandthe goodmaterial selection, andI alsomade a numerical analysisof its diapersion, nonlinear and loss. At the same time,Iintroducedtheformation process of the PCF whichincludsthe preforms’ stacking and drawing.This paper can be a reference to the design andpreparationof the photons crystal fibre.
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》范文
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》篇一一、引言随着信息技术的迅猛发展，光子晶体光纤作为一种新型的光学传输介质，其独特的物理特性和广泛的应用前景引起了科研人员的广泛关注。
七芯光子晶体光纤（7-core Photonic Crystal Fiber，简称7-PCF）作为其中的一种重要类型，具有高带宽、低损耗、大容量等优点，被广泛应用于光通信、生物医学、材料加工等领域。
本文将介绍七芯光子晶体光纤的结构设计，以及超模的分析方法，为相关领域的研究提供一定的参考。
二、七芯光子晶体光纤结构设计2.1 结构设计原理七芯光子晶体光纤的结构设计主要依据光子晶体的周期性排列原理。
在光纤中，通过特定的微结构排列，形成具有周期性折射率的空间结构，从而实现光子的束缚和传播。
七芯结构意味着在光纤的横截面上有七个光芯，它们之间的间隔和直径均需要根据设计要求进行优化。
2.2 结构设计步骤首先，根据实际需求和现有技术条件，确定光纤的基本参数，如芯数、直径、间距等。
其次，利用计算机辅助设计软件（如CAD）进行精确的建模和仿真。
在建模过程中，需要考虑光子晶体的周期性排列、芯与芯之间的耦合效应等因素。
最后，通过仿真结果对模型进行优化，以达到最佳的传输性能。
三、超模分析方法3.1 模式分类与特点七芯光子晶体光纤中的模式主要包括基模和高阶模。
基模具有较低的传输损耗和较好的稳定性，而高阶模则具有更大的传输容量和更强的抗干扰能力。
超模分析的目的是对各种模式进行分类和评估，以便在实际应用中根据需求选择合适的模式。
3.2 理论分析方法超模分析的理论基础是光的波动方程和传输矩阵理论。
通过对光纤中的电场和磁场分布进行计算和分析，可以得出各种模式的传播常数、有效折射率等参数。
此外，还可以利用有限元法、时域有限差分法等数值分析方法对光纤进行精确的仿真和优化。
四、七芯光子晶体光纤的超模分析过程4.1 确定超模的数量与分布通过对七芯光子晶体光纤的仿真和实验结果进行分析，可以确定各种模式的数量和分布情况。
《2024年七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》范文
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》篇一一、引言随着光通信技术的飞速发展，光子晶体光纤因其独特的传输特性和优异的性能，在光通信领域中得到了广泛的应用。
七芯光子晶体光纤作为一种新型的光纤结构，具有更高的带宽、更大的传输容量和更强的抗干扰能力，因此其设计与分析显得尤为重要。
本文将详细介绍七芯光子晶体光纤的结构设计，并对其超模进行分析。
二、七芯光子晶体光纤结构设计七芯光子晶体光纤结构主要由七根纤芯、包层和保护层组成。
其中，纤芯采用特殊材料制成，具有较高的折射率；包层为光子晶体结构，具有周期性排列的空气孔或介质孔；保护层则用于保护光纤免受外界环境的损伤。
在结构设计过程中，需要综合考虑纤芯的排列方式、包层中空气孔或介质孔的尺寸、形状以及排列方式等因素。
合理的结构设计能够提高光纤的传输性能和稳定性。
七芯光子晶体光纤的纤芯排列可以采用星形、环形或网状等结构，以满足不同的传输需求。
三、超模分析超模分析是研究七芯光子晶体光纤传输特性的重要手段。
通过对光纤中的超模进行详细分析，可以了解光纤的传输模式、传输速度、损耗等特性。
在超模分析中，首先需要建立光纤的数学模型。
根据光纤的结构特点，采用适当的数学方法和理论进行建模。
然后，通过求解光纤中的电磁场分布和传播规律，得到光纤的传输模式和传输特性。
在七芯光子晶体光纤中，由于存在多个纤芯和包层结构，因此存在多种传输模式。
这些传输模式之间会相互耦合和干扰，影响光纤的传输性能。
通过对这些超模进行分析，可以了解光纤的传输特性及其变化规律，为优化光纤结构提供依据。
四、实验与结果分析为了验证七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析的正确性，我们进行了实验研究。
通过制备不同结构的七芯光子晶体光纤，测量其传输性能和特性参数，与理论分析结果进行对比。
实验结果表明，合理的七芯光子晶体光纤结构设计能够提高光纤的传输性能和稳定性。
通过对超模进行分析，可以更好地了解光纤的传输特性及其变化规律。
此外，实验结果还表明，七芯光子晶体光纤具有较高的带宽、更大的传输容量和更强的抗干扰能力，能够满足高速、大容量、高可靠性的光通信需求。
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》范文
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》篇一一、引言随着光通信技术的飞速发展，光子晶体光纤因具有独特的光学特性在信息传输和信号处理中显示出极大的潜力。
本文提出一种新型的七芯光子晶体光纤（7-core Photonic Crystal Fiber，简称7CPCF）的设计方案，并对其超模特性进行详细分析。
该设计不仅有助于理解七芯光子晶体光纤的传输特性，还为实际应用中的设计优化提供了理论依据。
二、七芯光子晶体光纤结构设计（一）设计理念与参数选择七芯光子晶体光纤的设计基于光子晶体的周期性结构和光纤的传输特性。
设计中主要考虑的参数包括晶格结构、芯数、空气孔比例等。
其中，晶格结构是影响光子晶体性能的关键因素，常见的晶格结构有三角晶格、四方晶格等。
通过调整这些参数，可以实现对光纤传输特性的有效控制。
（二）结构设计七芯光子晶体光纤的结构设计包括芯层和包层两部分。
芯层由七个相互独立的光子晶体组成，每个光子晶体具有特定的晶格结构和空气孔比例。
包层则围绕在芯层外部，起到保护和固定作用。
此外，为了实现更好的传输性能，还需考虑光纤的直径、数值孔径等参数。
三、超模分析（一）模式划分与形成机制在七芯光子晶体光纤中，光传输的模式主要由光纤的结构和材料决定。
通过对光纤的电磁场分布和传播常数进行分析，可以得出不同模式的形成机制。
本部分将对超模进行分类和详细解释，为后续分析提供基础。
（二）模式特性分析超模特性包括模式的有效折射率、传播常数、电磁场分布等。
通过计算和分析这些参数，可以了解超模在光纤中的传输特性和相互影响。
本部分将详细分析七芯光子晶体光纤的超模特性，并探讨其与光纤结构的关系。
（三）超模之间的耦合与影响在多芯光子晶体光纤中，不同模式之间可能存在耦合现象。
本部分将分析七芯光子晶体光纤中超模之间的耦合机制和影响因素，以及这种耦合对光纤传输性能的影响。
此外，还将探讨如何通过调整光纤结构来优化超模之间的耦合效果。
四、实验验证与结果分析（一）实验方法与设备为了验证七芯光子晶体光纤的设计和超模分析结果，需要进行实验验证。
《2024年七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》范文
《七芯光子晶体光纤结构设计与超模分析》篇一一、引言随着光通信技术的飞速发展，光子晶体光纤因其独特的传输特性和高效率的传输能力，已成为光通信领域的研究热点。
其中，七芯光子晶体光纤以其高密度、高效率、低损耗等优势，在光通信网络、医疗诊断、传感等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在设计一种新型的七芯光子晶体光纤结构，并对其超模特性进行分析。
二、七芯光子晶体光纤结构设计1. 结构设计七芯光子晶体光纤结构主要由中心层和多层环形结构组成。
中心层包含三个主要芯层，每层间用光学折射率差异较大的材料构成隔离层。
在此基础上，环形结构分为四个小层，各小层分别由不同折射率的材料构成，以实现光束的定向传输。
2. 材料选择在材料选择上，我们采用高折射率材料作为芯层的主要材料，如硅基材料等。
隔离层则采用低折射率材料，如空气孔或聚合物等。
此外，为了满足超模分析的需求，我们选择具有良好光学性能和稳定性的材料。
三、超模分析1. 理论模型超模分析是研究光子晶体光纤传输特性的重要手段。
在理论模型方面，我们采用波动方程法、传输矩阵法等理论模型进行分析。
这些模型可以有效地描述七芯光子晶体光纤中光的传播和模式特性。
2. 仿真分析为了进一步了解七芯光子晶体光纤的超模特性，我们采用仿真软件进行模拟分析。
通过调整光纤结构参数和材料属性，我们可以观察到不同模式下的光束传输情况，从而得到不同模式下的传输损耗、色散等特性。
四、结果与讨论1. 传输特性分析根据仿真结果，七芯光子晶体光纤在超模下具有低损耗、低色散等优点。
此外，通过调整光纤结构参数和材料属性，我们可以进一步优化光纤的传输特性，以满足不同应用场景的需求。
2. 模式识别与控制七芯光子晶体光纤具有丰富的模式特性，可以同时传输多个独立的光束。
通过控制不同模式的激发和耦合，我们可以实现多路复用传输和信号处理等功能。
此外，我们还发现某些模式具有较好的抗干扰能力和稳定性，适用于长距离传输和高速通信等应用场景。
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引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，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。
独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。
在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。
以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。
近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。
目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。
本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述§1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。
因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。
光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。
科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。
1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙内被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。
由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。
直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。
此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。
1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。
1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。
1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。
接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与日俱增。
目前光子晶体光纤的研究重点有：理论模型的进一步探讨、结构参数的理论计算、性能的模拟和测试、制作工艺的标准化、实验室实验和工程实际应用技术的研讨等。
1998年英国Bath大学的J．C．Knight[2]等人研制成功了第一根光子带隙型光子晶体光纤，包层具有蜂窝状结构的空气孔，中心为空芯，光束在空芯中传输。
光子晶体光纤根据导光机制的不同可以分为全内反射型光子晶体光纤(TIR—PCF)和光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)。
前者的导光原理与传统光纤相似，都是基于全内反射效应，纤芯的折射率大于包层的有效折射率；而后者是利用光子带隙效应，它的纤芯是空气，光场主要在气芯中传播，因而能够打破传统硅芯结构光纤的限制，如损耗、非线性和可利用的传输窗口等。
PBG—PCF这种新型光纤具有一系列传统光纤无法比拟的特性如：极低的损耗保证了信号的长距离传输，极低的非线性效应保证了信号的保真度，全波段的单模工作为系统提供了充足的信道资源，零色散波长的人为控制避免了信号的相互串扰。
这些特性除了可以用于光通信系统之外，还可以用于飞秒激光的压缩与产生、高精度光学计量等领域，发展前景十分广阔。
§ 1.2 光子晶体光纤PCF的结构光子晶体的出现引起了对光子晶体光纤的研究。
PCF包层中分布着一系列二维周期性排列的气孔，光纤中的光波导基于部分或完全光子频率禁带的存在，把光局限在低折射率的缺陷中（比如空芯结构），实现了一种新的导光方式。
空芯光子晶体光纤这一概念最早是1991年由Russell提出的，随后Brisk等在1995年从理论上进行了论证[1]。
经过十余年的发展，空芯光子晶体光纤已经成为一种成功的二维光子带隙结构，其光传播长度已经达到了1000量级。
光子晶体光纤按其传输特性可分成两大类：全内反射（total internal reflection TIR）型和光子带隙（photonic band gap，PBG）型。
(1)全内反射光子晶体光纤全内反射型光子晶体光纤结构类似于传统光纤，只是在光纤包层截面上有周期性分布的三角形或蜂窝状结构。
导波方式与全反射原理类似而并不依赖PBG效应。
由于纤芯折射率仍然大于包层的，全内反射型光纤的导光方式仍然是传统的反射式，TIR型光子晶体光纤的包层截面上不产生光子带隙，包层空气孔也不具有严格的周期性。
PCF与传统的相比有许多奇异特性，例如无截至单模特性、非线性、反常色散性、高双折射性。
只要改变光纤中的孔距与孔径的比值，就能改变光纤的特性。
由于它具有很大的应用前景，因此目前大多数的研究和应用都是针对这种类型。
(2)光子带隙光子晶体光纤PBG型光子晶体光纤与TIR型光子晶体光纤最大的不同就是纤芯引入了折射率低于包层材料的空气孔缺陷。
是基于一种全新的机制——光子带隙理论。
光子晶体光纤利用包层中高度有序排列的空气孔形成PBG，纤芯则是在PBG中引入缺陷，使光仅能以缺陷态在纤芯中传播。
Crega等人将一堆外径为l mm的空心玻璃柱绑在一起，然后在整体的堆积中心省去7根玻璃柱，形成很大的空气孔缺陷作为光通道，实现了光在中心空气孔中的传播。
Wadsworth等人研究表明这种PCF 可传输99％以上的光能，而且空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/4～1/2。
§ 1.3 光子晶体光纤PCF的应用光子晶体光纤的独特结构和导光机制以及种种优良特性，对于进一步实真正的全光通信[3-4]，工业，医疗等方面展示出了广阔的应用前景。
现代光通信正向着超远距离、超大容量的方向发展，空芯光子晶体光纤用作通信光纤极低的损耗保证了信号的长距离传输；高的损伤阈值和极低的非线性效应保证了高功率能量的传输和信号的保真度，也可能在未来的量子通信中用来传送孤子压缩态；全波段的单模工作为WDM系统提供了充足的信道资源；零色散波长的可控性质避免了信号的相互串扰，可在短波长处获得大的正常色散和长波长处获得大的反常色散，这可用于光通信中的色散补偿和脉冲压缩。
另外，由于其价格目前还比较昂贵，损耗也比单模光纤大，要在近期利用空芯光子带隙光纤代替常规单模光纤进行长距离传输是不可能的。
但利用它做成有源器件，在光通信中，特别是波分复用(WDM)系统和全光纤系统中使用是很有前途的，比如光纤激光器等。
利用带隙型光子晶体光纤制作通信中的光器件可显著扩大通信容量和降低通信系统的成本。
(1)色散补偿光子晶体光纤由于其包层的独特结构使得芯层和包层的折射率差增大，从而波导色散对光纤色散的贡献变大，结果光子晶体光纤在可见光波段具有零色散点甚至能够出现负色散。
在纯石英及传统单模光纤中产生正常色散的波长上，在光子晶体光纤中都可以实现反常色散，基于此可以实现孤立子传播、进行色散补偿和超短脉压缩等。
Birks等人经过计算得出在通信波段．2 000 ps/km/nm的色散是可能实现的，据此能够得出这种光纤可以补偿其长度几十倍的标准光纤的色散，这远远超过了传统色散补偿光纤的色散补偿能力。
光子晶体光纤的另一个突出特性就是零色散点可调，只需简单改变光子晶体光纤的微结构尺寸，就可以在几百纳米的范围内取得零色散。
Knight等研究了多孔光纤的反常色散特性，其结果显示适当设计多孔光纤的参数就可以实现在从500nm到300nm很宽的波长范围内控制零色散点。
PBG．PCF的色散特性依赖于包层空气孔的尺寸、形状和排列，因此可以根据需要通过改变包层的结构来获得所需要的色散。
可在短波长处获得大的正常色散和长波长处获得大的反常色散，这可用于色散补偿和脉冲压缩。
(2)孤子压缩光孤子是光纤中一种稳定的传输模式，克服了色散的制约，当光强度足够大时会使光脉冲变窄，脉冲宽度不到一个ps，有可能极大的提高了信号传输容量和传输距离。
和光通信中利用光孤子压缩态可以减少噪声，提高信噪比，实现超大容量和超长距离传输。
(3)飞秒光纤激光器[5]光纤激光器中反常色散和非线性相互作用对激光脉冲的形状起着关键的作用。
空芯光子带隙光纤在带隙的长波长处表现出反常色散的特性，同时非线性非常小接近于空气的非线性，比传统的单模光纤低1000倍，因此它满足飞秒光纤激光器自相似演化的首要条件。
康奈尔大学应用物理系Lim H等人报道了利用空芯光子带隙光纤的反常色散特性研制的飞秒光纤激光器，通过调整滤波片，可以获得自启动锁模，采用这种装置能产生高质量脉冲。
自相似脉冲在该种激光器中的成功演化暗示了飞秒光纤激光器中的脉冲能有可能在将来超越固态激光器。
(4)光耦合器件能量传输方面的应用对于空芯光子晶体光纤，光能量主要在空芯中传播，当光被耦合进入空芯波导光纤中时没有菲涅耳反射(因为外界和纤芯材料一样均是空气)，这种光纤可以作为高效率光耦合器件，使光通信中的连接器更新换代。
第二章 光子光子晶体光纤的理论研究§ 2．1 光子晶体的能带理论在固体物理理论中，电子在晶体中运动可视为一个电子在周期势场中运动，并由Schrdinger （薛定谔)方程描述：22()()2r h ÑV E m-+ψ=ψ （2－1） 上式中的势场()r V 是以T 为周期场,具有周期性，其周期为晶格常数n R →()()n V r V r R →→→=+ （2－2）式中112233n T n a n a n a =++为晶体矢量，(i a 为晶格基矢，q 为整数) 由此平移对称，并结合周期性边界条件，即得到电子能带结构理论。