光子晶体光纤概述
光子晶体光纤
光子晶体光纤摘要光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构, 落在光子带隙中的光不能传播。
由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。
光子晶体光纤（POF）与普通光纤在光纤结构单模特性色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。
光子晶体的制备是发展光子晶体的关键, 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。
本文阐述了光子晶体的概念及其特性并简要分析了PCF的原理及其重要特性应用价值。
关键词：光子晶体；光纤；光子晶体光纤（PCF）；非线性Photonic crystal fiberA bstract Photonic crystals are materials with regular periodicity of dielectric structures, which can create a range of forbidden frequencies called photonic bandgap. Photons with energies lying in the bandgap cannot propagate through the medium. Moreover, photonic crystals have the ability to m an ipulate, confine and control light, thus provide the opportunities to shape and mould the flow o f light for photonic communication technology and photonic computer. In present, the preparation of photonic crystals, especially those in visible or near infrared region, is the key to the development of photonic crystals. In this paper, the conception and characteristics of photonic crystal are described at first, and then the research in experiment and application are introduced respectively.Keyword：photonic crystal；optical fiber；photonic crystal fiber （PCF）; nonlinerital光学晶体的基本原理：1、什么是光学晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。
光子晶体光纤
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。
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。
2024年光子晶体光纤市场规模分析
2024年光子晶体光纤市场规模分析引言光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）是一种具有特殊结构的光纤，其内部由周期性排列的微孔构成。
由于其独特的光传输性能，光子晶体光纤被广泛应用于通信、传感和光学器件等领域。
本文将对光子晶体光纤市场规模进行分析，探讨其趋势和发展前景。
市场概述光子晶体光纤市场自20世纪末开始崛起，并呈现出高速增长的趋势。
光子晶体光纤相对于传统光纤具有更低的损耗和更大的带宽，因此被广泛应用于高速通信网络和光学传感系统中。
目前，光子晶体光纤市场主要集中在北美、欧洲和亚太地区。
市场规模分析光子晶体光纤市场规模的分析需要考虑多个因素，包括市场容量、市场增长率和市场竞争情况等。
市场容量根据市场研究机构的数据，2019年全球光子晶体光纤市场规模约为10亿美元。
光子晶体光纤的应用领域不断扩大，包括通信、医疗、工业和军事等。
随着新技术的不断涌现，光子晶体光纤市场容量有望进一步增长。
市场增长率光子晶体光纤市场以每年超过10%的增长率呈现出强劲的增长势头。
这主要得益于光子晶体光纤在通信、传感和医疗领域的广泛应用。
高速通信网络的快速发展和对高性能光学传感系统的需求推动了光子晶体光纤市场的增长。
市场竞争情况光子晶体光纤市场存在着激烈的竞争。
目前，市场上存在多家主要厂商，包括Corning Inc.、Furukawa Electric Co. Ltd.、POFLink等。
这些厂商通过技术创新和产品升级来争夺市场份额。
此外，亚洲地区的光子晶体光纤市场竞争日趋激烈，中国的光子晶体光纤企业也迅速崛起。
市场趋势和发展前景技术进步驱动市场增长随着光子晶体光纤技术的不断进步，其性能和应用领域不断扩大。
光子晶体光纤的低损耗、大带宽和高可靠性使其在高速通信网络、医学成像、激光器和传感系统等领域具有广阔的应用前景。
未来随着新材料和制造技术的引入，光子晶体光纤市场有望得到进一步的发展。
亚太地区市场潜力巨大亚太地区作为全球最大的通信市场之一，对光子晶体光纤的需求日益增长。
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。
光子晶体光纤 (PCF)
1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中，光在中心的氧化硅纤芯里传播 • 通常采取掺杂的办法提高其折射系数，以增加传输效率，但不 同的掺杂物只能对一种频率的光有效 • 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细 管一次绑在一起组成六角阵列，在 2000 度高温下烧结后制成 了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔作 为导光通道，也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF • 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
光子晶体光纤的简介及其应用
光子晶体光纤的简介及其应用【摘要】光子晶体光纤(PCF)具有很多在传统光纤中无法实现的特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，并在近年内取得了重大的进展。
本文阐述了PCF的导光原理、分类及其在光纤通信中的应用。
【关键词】光子晶体;光子晶体光纤；光纤通信0.引言自P.S.J.Russell等于1991年首次提出光子晶体光纤概念后，引起了各国研究机构的浓厚兴趣，揭开了光纤发展的崭新的一页。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber,PCF）是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。
它是在普通石英光纤中沿轴向方向周期性排列空气孔，端面呈二维周期性的光子晶体结构，由于光子晶体具有光子带隙频带，如果在光子晶体中引入缺陷，则在禁带中引入缺陷模式，使光能够在缺陷内传播。
因此，与普通单模光纤不同，PCF又称为多孔光纤(holey fiber,HF)或微结构光纤(microstructure fiber,MSF)。
1996年，P.S.J.Russell 和J.C.Knight等首次在实验室成功制备了第一根光子晶体光纤。
1.光子晶体光纤的导光原理相对传统光纤而言，光子晶体光纤具有完全不同的光波传播原理。
它利用光子晶体所具有的光子频率禁带特性，将特定频率的光波强烈地束缚在纤芯内进行传导，光纤弯曲或折叠状态对光波的影响非常小，几乎在所有的传播波长处都能够保持单模运转，且其零色散波长从传统光纤的红外波段移到了可见光波段[1],可将光通信波段从1.3~1.6um扩展到整个可见光波段，这对光纤通信领域而言无疑是一种莫大幸事。
另外，光子晶体光纤具有极强的非线性效应，在低于传统光纤三个量级的脉冲峰值功率下就可产生光谱覆盖紫外到红外的超连续光，这在光频率测量、极短脉冲的产生、抽运探测光谱学等领域的研究中有着极其重要的作用。
此外，可制备光子晶体光纤激光器、干涉仪、带通滤波器等新型器件。
还可通过向微结构空芯光纤中填充介质，实现可变的光谱衰减器、光开关和高精度传感器等，极大地扩展了光通信波段，进行快速的波长变换和光放大，从而解决光通信和光网络问题等。
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。
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
谢谢观看
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。
概念提出
概念提出
光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。 其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构 （它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs）， 这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维 光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导； 相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这 些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs），实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIRPCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这 些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传 播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBGPCFs）只是在近期才得到实验证明。
光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。 在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列 不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特 殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用, 利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以 很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光 子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是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空气孔,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合 设计要求的光子晶体光纤。
光子晶体光纤概述
光子晶体光纤概述光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种基于光子晶体的特殊光纤，其内部结构通过周期性排列的微结构孔道以控制和引导光信号的传播。
相比于传统的光纤，光子晶体光纤具有许多优异的特点和应用前景。
本文将对光子晶体光纤的概述进行详细介绍。
首先，光子晶体光纤的设计和制备基于光子晶体的结构和性质。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的人工材料，类似于原子晶体中的周期性晶格。
光子晶体具有禁带结构，使得特定波长的光在其中无法传播，从而实现对光信号的控制。
光子晶体光纤则是利用光子晶体的这种特性进行光信号的传输和处理。
在光子晶体光纤中，光信号通过微结构孔道进行传输。
这些孔道可以是气体孔道、空气孔道或者填充了特定介质的孔道，根据不同的应用需求进行设计。
利用光子晶体的禁带结构特性，光子晶体光纤可以实现多种传输方式，如单模传输、多模传输、混合模传输和超模传输等，以及特定波长的滤波和调制功能。
光子晶体光纤相比传统光纤具有许多优势。
首先，光子晶体光纤具有更低的色散特性，能够实现更宽的光带宽和更高的传输速率。
其次，光子晶体光纤具有更高的非线性效应，可用于光学信号处理和光学器件制备。
此外，光子晶体光纤还具有更大的模场面积，可以实现更高的光功率传输和更低的光损耗。
光子晶体光纤在通信、光子学和生物医学等领域拥有广泛的应用前景。
在通信领域，光子晶体光纤可以用于高速宽带传输、红外光通信和光信号调制等应用。
在光子学领域，光子晶体光纤可以用于激光增强、光谱分析和光学传感等应用。
在生物医学领域，光子晶体光纤可以用于激光手术、光学成像和生物传感等应用。
然而，光子晶体光纤的制备和应用仍然面临许多挑战。
目前，光子晶体光纤的制备技术相对复杂，需要高精度的光学和材料工艺。
此外，光子晶体光纤的设计和理论研究也仍处于初级阶段，需要进一步探索和发展。
总之，光子晶体光纤作为一种新型的光纤材料，具有许多独特的特点和应用前景。
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。
保偏光子晶体光纤
保偏光子晶体光纤
保偏光子晶体光纤是一种特殊的光纤，具有保持光信号的偏振性质的能力。
它由光子晶体材料制成，光子晶体是一种周期性结构，具有调制光波传播特性的能力。
保偏光子晶体光纤的关键特性是它的光波导模式会特异地选择特定的偏振方向进行传播，不会出现模式间的混合。
这使得光信号在传输过程中能够保持稳定的偏振状态，不会出现偏振旋转或偏振混合的现象。
保偏光子晶体光纤在光通信、光传感和光学器件等领域有广泛应用。
它可以用于高速通信系统中的光纤传输，能够有效减少光信号的偏振损失，提高传输距离和可靠性。
此外，保偏光子晶体光纤还可以应用于光传感领域，用于测量和监测光信号的偏振状态。
总之，保偏光子晶体光纤具有保持光信号偏振性的能力，广泛应用于光通信、光传感和光学器件等领域，为光学系统的稳定性和可靠性提供了重要支持。
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。
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。
大芯径空心光子晶体光纤
大芯径空心光子晶体光纤一、什么是大芯径空心光子晶体光纤？大家都知道，光纤这东西可真是改变了咱们的世界。
你瞧，手机、互联网，甚至咱们现在聊的这些话题，都是依赖光纤的传输。
可是呢，光纤虽然小巧，传输速度那是杠杠的，但它还是有一些限制，特别是在大距离、高速数据传输的场合。
大芯径空心光子晶体光纤就像是给这条路上装了个超级加速器，让信息传输更快、更远，而且稳定性也更强。
简单来说，它就是在传统光纤的基础上，给“核心”部分做了个大升级。
光纤里面有一个“芯”，就是让光通过的地方。
传统光纤这个“芯”非常细，比头发丝还细，光通过它就像在狭窄的巷子里穿行，速度自然受限。
而大芯径空心光子晶体光纤的“芯”变得宽敞了不少，甚至有些型号中间是空心的。
你敢信？原来它的传输原理和普通光纤完全不一样，这样就可以让光信号在其中自由行驶，减少了很多的能量损失，传输效率也大大提高。
二、为什么说它厉害？既然说了大芯径空心光子晶体光纤这么“牛”，那它到底厉害在哪呢？咱得说这东西传输的速度比普通光纤要快得多。
你想象一下，如果你在一条宽广的大路上开车，跟在一条窄路上开车，哪条路开得快？毫无疑问，宽路肯定更快。
大芯径光纤的设计就是在这个“大”字上下了功夫，宽广的通道让光在里面穿行更顺畅。
速度快了，那数据传输就更稳定，信息到达的时间也更短。
比如说你视频通话、玩在线游戏，延迟大大减少，你的操作几乎零延时！不仅如此，它的传输距离也变长了。
传统光纤有一个问题，就是传输一段距离后，信号就会衰减，得加个中继器。
大芯径光纤就不一样，信号衰减得少，几乎能保持一个超长的传输距离。
空心结构的设计真的很特别，很多人第一次听到“空心光纤”都觉得不可思议。
它不像普通光纤一样把光引导在玻璃芯里，而是通过光子晶体的结构，让光“走”在空心的区域里。
你不觉得这很神奇吗？光居然能在一个“空”的地方流动，而且效率还不低！这个设计让它能减少光在介质中的损耗，能量更集中，速度更快。
这种空心设计还减少了光在传输中的散射和吸收，实际上，它比传统的固芯光纤更能保持信号的强度。
光子晶体光纤
学习汇报
主要内容：
光子晶体简介 两种不同导光机制的光子晶体光纤介绍 光子晶体光纤的制备
光子晶体 (photonic crystal)
光子晶体是在光波长量级（微米、亚微米）上折射 率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围 内的光子态密度大大降低，甚至完全形成光子禁带。 光子晶体自20世纪80年代提出来，相关理论和技 术得到了迅速发展，其中光子晶体光纤在通讯、传 感技术、光谱分析及医学上的应用都深具潜力。
◆ 蜂窝状PBG光纤：蜂窝结构的包层相对于 三角形结构来说，可以以更小尺寸的空气孔 获得光子带隙。其特点是，能量场只集中在 硅材料区域，并且非线性耦合系数相当大。
◆ 空心PBG光纤：这种结构决定了光波更容 易注入光纤，导入光与纤芯材料相互作用受 到抑制。传递功率大幅提高且无色散效应。
◆ 高折射率棒PBG光纤：空心孔的位置由高 折射率材料代替。光线中心的硅缺陷现在形 成了低折射率的纤芯，通过光子禁带效应捕 获导摸，将光波限制在其中。大大降低耦合 损耗。
第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构：首先 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。 第二步是形成光子晶体结构：将六角形细棒按三角形或蜂 窝形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50μm 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。 第三步是复制堆积拉丝过程
二维光子晶 体的两种常 用结构
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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。
光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(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,其结果就是光子能隙导光理论。
如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的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。
当小孔间的距离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HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。
但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。
空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：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，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
3.PCF的特性PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。
正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。
而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。
这就是无截止单模传输特性。
这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。
更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积。
在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。
小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性。
这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。
这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤) ,低非线性通信用光纤,高光功率传输。
(2)不同寻常的色度色散真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。
这使得空气芯PCF 的色散非常特殊。
由于光纤设计很灵活,只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。
如零色散波长可移到短波长,从而导致在1 300 nm 实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm 带宽范围接近零色散) ;各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。
(3)极好的非线性效应双折射效应G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。
然而，在光子能隙导光PCF中，我们可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。
光子能隙导光的这个特性为制造大的有效面积的PCF奠定了技术基础。
(4)优良的双折射效应对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。
在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。
通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。
4.光子晶体光纤在光纤通信的应用PCF在光纤通信系统中的潜在应用主要有两个方面：传输光纤和光器件。
PCF作为传输光纤的研究要点是改进制造工艺、降低光纤损耗。
PCF作为光器件的研究要点是通过调整PCF 的结构尺寸来实现PCF器件所需要的性能。
众所周知，作为光信号传输介质，无论是G.652光纤还是PCF都应该满足低损耗、小色散和低非线性效应。
与G.652损耗机理相同，PCF损耗主要来源于吸收和散射。
此外，由于PCF结构的特殊性，也自然带来了一些特殊的损耗来源，如模式泄漏损耗和结构缺陷损耗。
表1给出了PCF的损耗来源。
人们采取了一系列措施来降低PCF的损耗，主要有（1）提高芯/包层材料的纯度；（2）采用减少污染包层材料管的工艺；（3）通过合理设计空气填充比/空气孔数量来降低泄漏模式。
PCF具有的低损耗、小色散、低非线性效应特性，使得其在光纤通信领域的应用是非常有前途的，尤其对于长途通信系统。
随着PCF设计方法和制造工艺的不断改进，PCF性能正日趋完善。
特别是K.Tajima等人通过合理设计结构参数，如空气孔直径d和空气孔间距r，以及d/r比值，大道理既减少PCF的衰减，又改善PCF的色散和色散效率的目的。
现在，PCF已经进入实验室的光纤通信系统传输试验研究阶段。
2003年初的世界光纤通信会议（OFC）上，日本电报电话公司（NTT）接入网业务系统实验室的K.T ajima等人报道了他们研制出的衰减为0.37 dB/km 的超低衰减、长长度的PCF。
PCF具有完全的单模特性，可用工作波长范围为0.458—1.7μm。
C.Peucheret等人的研究小组利用5.6 km 的PCF线路进行工作波长为1550 nm的40Gbit/s 的传输实验。
这个实验系统所用的PCF的有效面积是72平方μm、衰减为1.7dB/ km、色散系数为32 ps/（km. nm）。
实验表明，PCF作为光信号传输介质时，系统的性能没有劣化，与G.652光纤相比，PCF最大优势是在保证很小的偏振模色散系数的前提下，色散系数、有效面积和非线性系数可以灵活设计。
如上所述，PCF本身就是一种良好的色散补偿光纤。
通过灵活设计PCF的3个特征结构参数：纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔间距，我们就可以获得很大的正色散，或者很大的负色散，或极宽波段的平坦色散PCF。
特别是PCF的灵活色散、色散效率补偿带宽管理能量比G.652光纤大几倍，故PCF具有优良的色散补偿性能，有希望代替普通的色散补偿光纤，成为新一代色散补偿光纤。
由于普通色散补偿光纤的芯/包层折射率差小（1.45/1.3），所以其色散补偿能力差。
而PCF 的芯/包层差大（1.45/1），因此PCF具有很强的色散补偿能力。
清华大学的研究人员从理论上计算了PCF的色散值，在计算中所选择的PCF结构参数是：空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。
计算得到，在1.55μm PCF的色散值可以达到-2050 ps/（km. nm），可以补偿120倍长度的G.652光纤（17 ps/（km. nm））,可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2 ps/（km. nm））,从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。
因此，PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值。
PCF可以构成光纤激光器和光纤放大器，究其理由是通过调整包层空气孔直径及其间距可以灵活设计出模场面积范围为1--1000μm2的PCF，使得PCF在光纤激光器和光放大器研制中比G.652光纤更具有优势。
已经取得研究进展的PCF与光纤通信相关应用还有：光波长变换、拉曼放大器、光孤子激光器、光纤光栅和连续谱发生器等。
5.OFC-2004看光子晶体光纤的发展从OFC2在今年2月21日至27日召开的世界光纤通信会议（即OFC’2004）上，光子晶体光纤也是报道的重点课题之一。
从本次会议上可以看出，国际上关于光子晶体光纤的研究主要集中在拓展PCF的应用领域和改善PCF的性能两方面。
下面就OFC’2004上有关PCF的报道做一简单介绍，重点强调了PCF的最新应用和高性能PCF的研究进展。
5.1 PCF的新应用(1) 超连续产生利用飞秒脉冲在PCF中产生超连续谱已经广泛应用于光学相干层析、计量学等领域，但大部分实验采用工作在800nm波长的Ti:sapphire激光器作为泵浦源，因为这种激光器能产生能量达几个nJ的超短飞秒脉冲，只有个别实验利用1560nm波长附近的基于掺铒光纤激光器的飞秒脉冲。
采用掺铒光纤激光器作为泵浦光源不但可以将飞秒超连续技术应用于1560nm附近的通信窗口，而且它比Ti:sapphire激光系统更小巧、更稳定。
在OFC’2004上，H.Hundertmar等报道了一种全光纤二极管泵浦的铒光纤激光－放大系统，并利用PCF 进行了超连续实验。
其实验装置如图2所示：激光器环路由铒光纤（正色散）和两段负色散光纤SMF1528、Flexcor1060构成，整个环长3.4m，对应基频59.1MHz，利用非线性偏振旋转效应实验被动锁模。