光子晶体光纤的原理及应用ppt
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一般认为PCF根据导光机理不同可以分为两类：
空芯PCF：光子带隙导光 (PBG-PCF), 只有当空气孔 相当大的时候，禁带才会出现。采用PBG导光，除了 要求较大的空气孔外，还要求较精确的气孔排列，所 以制作难度比较大。
5 m
光子晶体光纤－分类
实芯PCF：包层有效折射率是石英和空气的体平均， 小于芯区石英材料的折射率，与传统光纤相似，属于 全内反射导光（Total internal reflection，TIR）。 这种导光机制不倚赖于周期性 PBG结构，实现起来相对简单。 如果空气孔较大，并且选择合适 的晶体结构，PBG导光和TIR导 光可以共存于PCF中。
前景展望
理论研究方面
建立精确的理论模型，可靠分析PCF结构参数 和特性参量的关系，控制PCF的特性。 改进制造工艺，并开发新的技术，能按需制造 各类PCF。
产品研制方面
寻找新的应用领域
前景展望
现在，PCF的研究正在由学术探讨转入实 验室试验阶段。实验室中的传输实验表 明，PCF极有可能应用于光纤通信中。 随着PCF的导光理论、制造工艺、性能测 量和技术的不断完善，PCF就可能会成为 光纤通信系统中的下一代光信号传输介 质和光器件。
光子晶体光纤－结构
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF) 微结构光纤 (Microstructured Optical Fiber, MOF) 多孔光纤 (Holey Fiber) 在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔， 从光纤端面来看存在二维周期结构。
导光原理： 左图所示的六边形晶体结构存在完全二维 禁带，在该结构中引入缺陷，在禁带中产 生缺陷态，PCF利用这个缺陷态导光。
应用：
★ 短波长光孤子传输 ★ 色散平坦光纤（数百nm 带宽范围接近零色散 ） ★ 色散补偿光纤，色散值可达－2000ps/nm· km， 这预示着PCF在未来超宽WDM的平坦色散补偿中可能 扮演重要角色。
特性及应用－PBG-PCF
光传输
★ 空心导光 低的传输损耗 低非线性 大的功率承受能力 ★ 存在的问题 目前损耗1.72dB/km，可以降至0.05dB/km；但 是由于制造工艺的限制，作为传输光纤成本太高。
特性及应用－TIR-PCF
大功率激光器
大模面积 非线性效应弱
高功率双包层PCF激光器： 输出波长为1070nm 输出功率80W 斜率效率78% 目前最大输出功率已经达到260W。 外芯：收集泵谱光
内芯：掺Yb3＋，截 面呈三角形，芯径大 约28um，模场面积大 约350um2
特性及应用－TIR-PCF
特性及应用
宽带单模特性
V<2.405时单模传输。
该性质与光纤的绝对尺寸无 关，通过改变空气孔间距可 以调节模场面积。
Endlessly single-mode
[ T. A. Birks et al., Opt. Lett. 22, 961 (1997) ]
应用：
高非线性：拉曼放大器等 低非线性：高功率传输
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
计算方法
有效折射率模型 平面波展开法 时域有限差分 频域有限差分 多极法 传输矩阵法 束传输方法 有限元法 ……
制备
典型PCF的制作工艺可以分为两个过程:
1. 制作PCF预制棒 堆拉法 溶胶挤压法
2. 预制棒拉丝
在PCF的拉制过程中，改变拉制 温度和速度就可以调整PCF的结 构和性能。
强非线性效应
减小光纤模场面积可以获得强非线性。 ★ 超连续光谱的产生 在很宽的波长范围内提供超短光脉冲，可以应用于光 纤群速度测量、全光采样、全光转换、光波分复用 (OWDM)和光时分复用(OTDM)。 ★ 光孤子效应 ★ 频率变换效应 四波混频产生的斯托克斯和反斯托克斯分量在光致变 色效应、拉曼光谱学等领域有着潜在的应用。
谢谢！
增强光与物质相互作用，光传感
商业化
国际：PCF产品商业化公司----丹麦Crystal Fiber A/S 公司 国内：武汉邮电科学研究院 燕山大学 问题： 价格昂贵！
前景展望
PCF的应用或潜在应用 光波长转换，拉曼放大器，光孤子激光器，高功 率PCF激光器，超宽色散补偿，高功率传输，极短 拍长保偏光纤，光纤传感和光开关等。 限制应用的因素 ★ 制造工艺 ★ 与传统光纤的耦合 熔接耦合 透镜耦合
周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可调器件
特性及应用
奇异的色散特性
零色散点向短波方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
Leabharlann Baidu
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构 的人工设计和制造的晶体，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体
空芯PCF：光子带隙导光 (PBG-PCF), 只有当空气孔 相当大的时候，禁带才会出现。采用PBG导光，除了 要求较大的空气孔外，还要求较精确的气孔排列，所 以制作难度比较大。
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光子晶体光纤－分类
实芯PCF：包层有效折射率是石英和空气的体平均， 小于芯区石英材料的折射率，与传统光纤相似，属于 全内反射导光（Total internal reflection，TIR）。 这种导光机制不倚赖于周期性 PBG结构，实现起来相对简单。 如果空气孔较大，并且选择合适 的晶体结构，PBG导光和TIR导 光可以共存于PCF中。
前景展望
理论研究方面
建立精确的理论模型，可靠分析PCF结构参数 和特性参量的关系，控制PCF的特性。 改进制造工艺，并开发新的技术，能按需制造 各类PCF。
产品研制方面
寻找新的应用领域
前景展望
现在，PCF的研究正在由学术探讨转入实 验室试验阶段。实验室中的传输实验表 明，PCF极有可能应用于光纤通信中。 随着PCF的导光理论、制造工艺、性能测 量和技术的不断完善，PCF就可能会成为 光纤通信系统中的下一代光信号传输介 质和光器件。
光子晶体光纤－结构
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF) 微结构光纤 (Microstructured Optical Fiber, MOF) 多孔光纤 (Holey Fiber) 在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔， 从光纤端面来看存在二维周期结构。
导光原理： 左图所示的六边形晶体结构存在完全二维 禁带，在该结构中引入缺陷，在禁带中产 生缺陷态，PCF利用这个缺陷态导光。
应用：
★ 短波长光孤子传输 ★ 色散平坦光纤（数百nm 带宽范围接近零色散 ） ★ 色散补偿光纤，色散值可达－2000ps/nm· km， 这预示着PCF在未来超宽WDM的平坦色散补偿中可能 扮演重要角色。
特性及应用－PBG-PCF
光传输
★ 空心导光 低的传输损耗 低非线性 大的功率承受能力 ★ 存在的问题 目前损耗1.72dB/km，可以降至0.05dB/km；但 是由于制造工艺的限制，作为传输光纤成本太高。
特性及应用－TIR-PCF
大功率激光器
大模面积 非线性效应弱
高功率双包层PCF激光器： 输出波长为1070nm 输出功率80W 斜率效率78% 目前最大输出功率已经达到260W。 外芯：收集泵谱光
内芯：掺Yb3＋，截 面呈三角形，芯径大 约28um，模场面积大 约350um2
特性及应用－TIR-PCF
特性及应用
宽带单模特性
V<2.405时单模传输。
该性质与光纤的绝对尺寸无 关，通过改变空气孔间距可 以调节模场面积。
Endlessly single-mode
[ T. A. Birks et al., Opt. Lett. 22, 961 (1997) ]
应用：
高非线性：拉曼放大器等 低非线性：高功率传输
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
计算方法
有效折射率模型 平面波展开法 时域有限差分 频域有限差分 多极法 传输矩阵法 束传输方法 有限元法 ……
制备
典型PCF的制作工艺可以分为两个过程:
1. 制作PCF预制棒 堆拉法 溶胶挤压法
2. 预制棒拉丝
在PCF的拉制过程中，改变拉制 温度和速度就可以调整PCF的结 构和性能。
强非线性效应
减小光纤模场面积可以获得强非线性。 ★ 超连续光谱的产生 在很宽的波长范围内提供超短光脉冲，可以应用于光 纤群速度测量、全光采样、全光转换、光波分复用 (OWDM)和光时分复用(OTDM)。 ★ 光孤子效应 ★ 频率变换效应 四波混频产生的斯托克斯和反斯托克斯分量在光致变 色效应、拉曼光谱学等领域有着潜在的应用。
谢谢！
增强光与物质相互作用，光传感
商业化
国际：PCF产品商业化公司----丹麦Crystal Fiber A/S 公司 国内：武汉邮电科学研究院 燕山大学 问题： 价格昂贵！
前景展望
PCF的应用或潜在应用 光波长转换，拉曼放大器，光孤子激光器，高功 率PCF激光器，超宽色散补偿，高功率传输，极短 拍长保偏光纤，光纤传感和光开关等。 限制应用的因素 ★ 制造工艺 ★ 与传统光纤的耦合 熔接耦合 透镜耦合
周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可调器件
特性及应用
奇异的色散特性
零色散点向短波方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
Leabharlann Baidu
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构 的人工设计和制造的晶体，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体