光子晶体光纤
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
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。
实心光子晶体光纤的传光机理
实心光子晶体光纤的传光机理
实心光子晶体光纤的传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。
光子能隙导光机理：包层为周期性排布的空气孔，其导光机理为二维光子晶体的光子带隙，即当包层空气孔间距和直径满足一定条件时，其频率处于带隙范围内的光波被禁止向包层方向传播，只在缺陷纤芯中沿着缺陷的方向进行传播。
由于光子带隙导光机理为包层光子带隙，因此对于纤芯的折射率没有太大限制，使得空芯导光成为了可能，但是带隙型导光对光纤包层结构的周期性要求非常严格，以确保形成有效的光子带隙，因此对制作工艺水平要求很高。
光子晶体原理及应用
光子晶体原理及应用光子晶体是一种具有周期性分布的介质结构，其周期与光的波长相当，并且通过光子晶体的介质结构可以控制光的传播和与物质的相互作用。
光子晶体的原理是通过改变晶体的周期性结构来改变入射光波的传播特性，从而实现对光的控制。
光子晶体的制备方法有很多种，常见的包括自组装法、光阻法、多光束干涉法等。
其中最常用的方法就是利用自组装原理，通过改变介质的化学成分和控制成核条件，使得光子晶体在一些特定的波长范围内具有周期性结构。
光子晶体的应用十分广泛，下面就几个典型的应用领域进行介绍。
1.光子晶体光纤光子晶体光纤是通过将光子晶体材料制备成光纤的结构，并利用光子晶体的禁带特性来实现对光波的传播控制。
与传统光纤相比，光子晶体光纤具有更小的损耗和更宽的通信带宽，可以大大提高信息传输的能力。
光子晶体光纤已经广泛应用于通信、传感和激光器等领域。
2.光子晶体传感器光子晶体的禁带结构对入射光波的敏感性很高，可以通过改变光子晶体结构或调节入射光波的频率来实现对光波的敏感探测。
光子晶体传感器可以用于气体、液体、化学品等环境的探测。
例如，在环境监测中，可以利用光子晶体传感器来监测大气中的有害气体浓度，实现对环境的实时监测。
3.光子晶体光子集成电路光子晶体材料可以通过微细加工技术制备成光子集成电路的结构，将不同功能的光子晶体结构集成在一个芯片上，实现对光波的控制和处理。
光子晶体光子集成电路具有体积小、功耗低和传输速率高等优点，可以应用于光通信、光计算和光存储等领域。
4.光子晶体激光器光子晶体结构可以用来实现激光器的工作原理，通过调节光子晶体的结构参数和控制激发条件，可以实现对激光的频率、相干性和发射方向的控制。
光子晶体激光器具有窄线宽、高亮度和高稳定性等特点，可以应用于激光雷达、光学通信和光学显微镜等领域。
综上所述，光子晶体作为一种新型的功能材料，在光学领域有广泛的应用前景。
通过对光子晶体的制备和调控，可以实现对光的控制和处理，使得光子晶体具有非常丰富的应用潜力。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究光子晶体光纤是一种具有特殊结构的光纤，其核心是由周期性排列的微小孔洞构成的光子晶体。
相比传统光纤，光子晶体光纤具有更好的光传输性能和更广泛的应用前景。
其中，纵向渐变折射率是光子晶体光纤中的一个重要研究方向。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率指的是光子晶体光纤的折射率在纵向方向上的变化。
传统光纤的折射率是均匀的，而光子晶体光纤通过控制孔洞的尺寸和排列方式，可以实现折射率的渐变。
这种纵向渐变折射率的设计可以改变光的传播特性，实现对光的控制和调制。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究主要包括两个方面：一是纵向渐变折射率的设计和制备，二是纵向渐变折射率对光传输性能的影响。
在纵向渐变折射率的设计和制备方面，研究人员通过调整光子晶体光纤中孔洞的尺寸、形状和排列方式，实现了不同程度的折射率渐变。
例如，可以通过改变孔洞的直径，使得光子晶体光纤的折射率从内核到外壳逐渐增大或减小。
此外，还可以通过改变孔洞的形状，实现不同方向上的折射率渐变。
这些设计和制备方法为光子晶体光纤中纵向渐变折射率的研究提供了基础。
纵向渐变折射率对光传输性能的影响是光子晶体光纤研究的另一个重要方面。
通过控制纵向渐变折射率，可以实现对光的传播速度、色散特性和模式耦合的控制。
例如，当光子晶体光纤的折射率从内核到外壳逐渐增大时，光的传播速度会逐渐减小，从而实现光的减速效果。
而当光子晶体光纤的折射率在纵向上呈现周期性变化时，可以实现色散的调制，从而对光信号进行调制和处理。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究不仅在基础科学研究中具有重要意义，也在光通信、光传感和光子器件等应用领域具有广阔的应用前景。
例如，通过控制纵向渐变折射率，可以实现光信号的调制和解调，从而提高光通信系统的传输速率和容量。
此外，光子晶体光纤中的纵向渐变折射率还可以应用于光传感器的设计和制备，实现对环境参数的高灵敏度检测。
总之，光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究是一个具有重要意义和广阔应用前景的研究方向。
光子晶体光纤研究意义
光子晶体光纤研究意义The significance of photonic crystal fiber research lies in its potential to revolutionize the field of optics and photonics. Photonic crystal fibers, also known as holey fibers or microstructured optical fibers, possess unique properties that distinguish them from traditional optical fibers. Their intricate internal structures, consisting of air holes arranged in a precise lattice pattern, enable them to exhibit exceptional light-guiding capabilities, dispersion control, and nonlinear optical effects.光子晶体光纤的研究意义在于其有可能彻底改变光学和光子学领域。
光子晶体光纤，也被称为多孔光纤或微结构光纤，具有独特的性质，使其与传统光纤截然不同。
它们内部结构复杂，由精确排列的空气孔构成晶格图案，从而展现出卓越的光引导能力、色散控制以及非线性光学效应。
By exploring the properties and applications of photonic crystal fibers, researchers can develop novel optical devices and systems with enhanced performance and functionality. For instance, these fibers can be tailored to exhibit specific dispersion profiles, enabling precise control of light propagation and manipulation of optical signals. This capability has the potential to revolutionize fields such as telecommunications, sensing, and imaging.通过探索光子晶体光纤的性质和应用，研究人员可以开发出性能更佳、功能更强大的新型光学器件和系统。
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
光子晶体的分类
PCF导光机制分为两种，一种光子带隙光纤（FBG-PCF）， 另外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。
FBG-PCF的导光原理
它是通过布拉格衍射来限制光在纤芯中传播 要求包层空气孔比较大，而且要求空气孔排列精密，规则 的六角形晶格结构才存在有效的二维光子带隙，由于光只 能在缺陷中传播，可以实现在几乎无损耗的纤芯中传播。
高双折射特征
灵活的色散可调特征 易于实现多芯传输
以上特征都可以通过调节PCF的结构来实现和改变
光子晶体光纤的应用
PCF的高非线性效应和高度可调的色散特征，成为超连续光谱产生的理 论依据，这种特性可应用于光学频率测量、建立光学原子钟、生物医 学成像、多光子光谱显微镜领域等
基于PCF的大模场面积、单模宽带传输等特点，发展了光子晶体光纤激 光器
光子晶体光纤
photonic crystal fiber
光子晶体光纤的概念
光子晶体光纤又称多孔光纤，微结构光纤， 最早由Russe11等人在1992年提出的。
它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包 层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组 成，纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局 域光的能力，将光限制在纤芯中传播。
预制棒的制作工艺的方法：毛பைடு நூலகம்管组合方法，（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
光子晶体光纤的制作
预制棒的制作工艺:溶胶-凝聚法—将溶胶浇注成设计成的结构使其凝 胶，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—在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料， 将它们按设计要求排列好并融化成型后，利用酸腐蚀掉不需要的部分 形成的空气孔，这种方法形成的预制棒能拉出结构更完美、更符合要 求的光子晶体光纤。
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。
光子晶体光纤的制备与应用研究
光子晶体光纤的制备与应用研究光子晶体光纤的制备主要分为两种方法：传统方法和新型方法。
传统方法是将光子晶体纳米颗粒混入熔融的硅酸盐玻璃中，通过拉伸和制作纤芯来制备光纤。
新型方法则是通过叠加不同颜色的光子晶体微球堆积来制作纤芯。
这些方法制备的光子晶体光纤具有高透明度、低损耗、高灵敏度和宽带宽等优点。
光子晶体光纤的应用研究主要集中在通信、传感和激光技术等领域。
在通信方面，光子晶体光纤可以提供更高的带宽和更低的损耗，可以用于长距离传输和高速数据传输。
在传感方面，光子晶体光纤具有较好的灵敏度和可调谐性，可以用于气体、液体和生物传感。
在激光技术方面，光子晶体光纤可以用作激光波导器件，用于光子晶体激光器和光纤拉曼激光器等的输出波导。
光子晶体光纤的研究还包括光纤传输特性和光纤结构改进等方面。
光子晶体光纤的光传输特性主要通过调整光子晶体光纤的纤芯结构和纤芯材料来实现，以改变纤芯的折射率和色散特性。
光纤结构改进主要通过改变纤芯的孔径和填充材料来实现，以提高光子晶体光纤的性能和应用范围。
光子晶体光纤的应用前景广阔。
随着信息技术的发展和需求的增加，对光纤通信和数据传输的需求也越来越大。
光子晶体光纤由于其独特的光学和物理特性，可以满足高带宽和低损耗的需求，因此在通信领域具有广阔的应用前景。
同时，光子晶体光纤在传感和激光技术领域也有很大的应用潜力，可以用于生命科学、环境监测和材料研究等方面。
总之，光子晶体光纤的制备与应用研究是一项具有重要意义的研究领域。
通过对光子晶体光纤的制备方法和应用特性的研究，可以推动光子晶体光纤在通信、传感和激光技术等领域的广泛应用，为信息技术的发展和创新做出贡献。
光子晶体光纤的纤芯直径
光子晶体光纤的纤芯直径
光子晶体光纤是一种特殊的光纤，其纤芯由一系列微小的周期性排列的介质柱组成。
相对于传统的光纤，光子晶体光纤具有更好的光学性能和更广泛的应用前景。
其中，纤芯直径是影响其性能的重要参数之一。
纤芯直径越小，则在光纤中传输的光信号受到的损失就越少，同时也能够实现更高的带宽和更低的传输损耗。
但是，纤芯直径过小也会导致光信号的模式受到限制，从而影响光纤传输的性能。
因此，在设计光子晶体光纤时，需要综合考虑纤芯直径和其他参数的影响，以实现最佳的性能和应用效果。
未来随着技术的不断发展，光子晶体光纤的纤芯直径可能会进一步减小，从而实现更高效的光纤传输和应用。
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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。
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。
七芯光子晶体光纤
七芯光子晶体光纤
七芯光子晶体光纤是一种具有七芯结构的新型光纤。
它具有七个纤芯，能够有效地传输和分配光信号，提高通信效率和带宽。
与传统的单芯或多芯光纤相比，七芯光子晶体光纤具有以下优点：
- 更高的传输效率：七芯光子晶体光纤可以通过七个纤芯同时传输信号，从而提高了传输效率。
- 更好的分配效果：七芯光子晶体光纤可以将光信号分配到七个纤芯中，从而实现更好的信号分配效果。
- 更强的抗干扰能力：七芯光子晶体光纤具有更好的抗干扰能力，可以减少信号干扰和失真。
七芯光子晶体光纤在通信、传感和光学成像等领域具有广泛的应用前景。
它可以用于高速通信、数据中心、光互连、光传感和光学成像等领域。
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。
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光子晶体光纤
在光子晶体的研究基础上，ST．J．Russell等人于 1992年最早提出光子晶体光纤的概念，第1个PCF样品于 1996年被研制出。
按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射TIR ．PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是光子禁带光子晶体光纤 PBG．PCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)．PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构是 Bragg光纤的推广。
前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。
PCF是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly single．mode)嘲、低损耗特性、特殊的色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。
1 PCF的结构、导光机制和特性
1．1 TIR-PCF
包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。
包压有效折射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。
由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变化至多为1％-2％，而TIR—PCF 中的折射率变化最大可达30％-40％。
在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。
传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。
此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。
当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方向增加，在波长=1．55 微米时，可得到 -2000 ps／(nm．km)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。
1．2 PBG-PCF
第一个真正利用二维PBG导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998年，空气孔分布具有蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输。
空气孔分布还可呈三角形等结构。
由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。
由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG效应来导光。
利用二维 PBG效应的 PCF与全内反射机制导光的PCF的区别在于光波被限制在空气中传播，因此在传统光纤石英介质中与材料相关的影响因素大大地减小了，因而具有低损耗、低色散、低非线性效应。
空心光纤的光学特性如包层有效折射率等与波长和孔的排列密切相关，空心光纤在设计上具有很大的灵活性，可通过结构参数的设计获得很好很好的色散特性与单模特性。
1．3 OG-PCF
TIR和 PBG导光的 PCF的传导单模对应于两种偏振态，与传统光纤类似，在与具有偏振依赖关系的器件耦合中存在偏振态旋转的问题。
由Ibanescu．M 在与金属同轴电缆类比中提出了同轴全向光波导光纤。
纤芯为同轴空气柱与直径很小的介质柱，包层为由介电常数相差很大的两种介质同轴周期性交替组成，包层属一维周期性结构，可形成一维光子禁带。
这种结构综合了金属同轴电缆和基于 PBG导光的 PCF的优点是：具有与金属同轴电缆中类似的基模 (TEM 模)，模场分布为径向对称性，不存在偏振态旋转的问题。
若中心介质折射率比包层平均折射率大， OG—PCF同时存在两种导光机制：全反射和光子带隙效应。
若中心介质折射率比包层平均折射率小，或纤芯为空气柱，则其导光机制与 Bragg光纤相同。
OG—PCF结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定等都可以在较宽的范围内选择。
上述三类 PCF具有共同特性：通过结构的合理设计，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，这是 PCF最大的一个优势；通过结构参数调节，可加强或抑制非线性效应；具有色散特性。
2 PCF研究现状
目前，对 PCF的理论研究取得了很大进展，能够通过数值计算得出结构参数和传输特性之间的关系。
数值计算模型大多基于光子晶体的计算，常用的方法有：平面波扩展方法、转移矩阵方法、时域有限差分法等。
但上述方法都有近似性和局限性，其结论的精确与可靠性有待实验验证。
针对PCF的特点，又提出了有效折射率模型、全矢量法和标量法等。
一般制造方法是采用玻璃管束在一起而形成预制棒，在温度为 1800℃～2000℃的熔炉中进行拉丝的方法。
典型的尺寸为：玻璃管直径约 1 1Tlln，预制棒直径约20 mm，拉丝后的光纤直径为20～200 um。
拉丝后光纤的截面结构与预制棒的截面结构形状基本相似，光纤中空孔间隔为 1～10 um。
从 1996年研制出如图 1．A所示的第一个 TIR．PCF样品，1998年研制出如图 1．E所示的第一个 PBG．PCF样品，至今已有多家企业生产出PCF产品系列，如世界领先的PCF 产品商业化的公司——丹麦 Crystal Fiber A／S在原有属于 TIR-PCF的“非线性光子晶体光纤”、“大模场区域光子晶体光纤”、“多模光子晶体光纤”三种系列产品的基础上，最近又推出两类新产品系列中一类为 PBG—PCF 系列。
又如BlazePhotonics公司目前拥有四类光子晶体光纤PCF产品，单模 PCF，保偏 PCF，高非线性 PCF，中空 (PBG)PCF；其中在 1550nm处的色散为 3Ops／nm．km，色散斜率为 0．07 ps／nm2．km；而中空 (PBG )PCF 有 HC 一800-01、HC一1060—01 和HC．1550-01三种型号，带宽达 120 nm，损耗0.2dB
／m，且宣布多种光子晶体光纤的价格将最大下调40％，其中单模PCF101 m～1000 m的价格为20$／m，说明了PCF的制作工艺逐渐成熟。
3 应用前景与研究展望
PCF和普通单模光纤相比有许多突出的优点：(1)PCF可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；(2)PCF允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；(3)PCF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岬以下；(4)PBG导光的PCF允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以在光耦合系统中极大地提高耦合效率和弯曲状态下的传光效率；(5)空气通道的 PCF 不受光波与纤芯材料之间的相互作用 (吸收或非线性)的限制，它可以大大地限制光纤的非线性效应带来的影响和降低损耗；(6)如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率的液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在气体传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途。
因此，利用PCF在光通信中可以进行高功率传输、超宽色散补偿、短波长光孤子传输，发生、实现超短脉冲的激光器和放大器、高功率 PCF激光器、极短拍长的偏振保持光纤、光纤传感器和光开关等。
PCF使单模工作波段向短波长方向扩展，这为密集波分复用系统中增加复用的信道数提供了充足的波长资源。
PCF的潜在应用还包括高灵敏度光谱分析、非线性光学传感、可调谐 PCF、PCF 耦合器等。
PCF一方面具有传统光纤所没有的新特性，但是另一方面，PBG．PCF传输损耗过大却是一个问题。
传输损耗的主要原因是空孔及其表面的杂质所引起的吸收损耗，从而成为实用化的障碍。
从理论分析和实验寻找减小传输损耗的方法，是今后 PCF研究的一大方向。
在理论研究方面，如何用准确的理论模型精确、可靠的分析 PCF的结构参数与特性参量间的关系，从而预测和控制 PCF的特性，并指导实验，是今后理论研究的主要任务。
在样品和产品的研制上，如何借鉴一些成熟技术，如半导体超晶格的生长工艺、传统光纤制造技术等，并开发新的技术，能按需制造各类 PCF，是有待迫切解决的问题。
利用 PCF组成光通信传输系统的研究，将使光子晶体光纤从实验室走向实际工程应用，在这方面还有许多工作要做。