光纤通信新器件创新技术研究.pptx

反蛋白结构法
以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向 球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料，然后通过 焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去，得到三维周期性的 反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方的形 式分布于高介电系数的介质中。
➢光子晶体的材料有三类：半导体材料、介 质材料、有机聚合物材料。
➢由于PCF为空心结构，纤芯可以是空气或真 空，不用二氧化硅，作为材料属性的非线性， 自然也就不存在了。
第五、极小的能量损耗
➢普通单模光纤的纤芯主要成分是二氧化硅， 即使尽量降低杂质吸收，但本征吸收和瑞利 散射是很难避免的，因而普通光纤能量损耗 总是大量存在。
➢而PCF结构上是中空的，对光波传输损耗 极低，有利于长途通信。
➢从光纤的端面看，存在周期性的二维 光子晶体结构，在光纤的中心有缺陷态， 光可以沿着缺陷态在光纤中传输。
➢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，这也是光子晶体 名称的由来。
➢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。
光子晶体光纤突出的优点：
第一、光子晶体光纤可在500～1600nm范围内保持单模运转。 ➢对光纤弯曲和扭转都不能激发高阶模。 ➢在1600nm 以下，光纤对直径小到0.5cm 的弯曲损耗 都不敏感。
➢用光子晶体器件来代替传统的电子器件，将会引起光 通信领域的一场革命。
1、光子晶体
➢ 光子晶体也称为光子带隙材料或电磁晶体， ➢光子晶体的概念 是在1987年提出的。 ➢ 是折射率在空间周期变化的介电结构，其变化
周期和光的波长为同一个数量 ➢ 光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性
的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。
Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059;
Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.
Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251
结构可转换的三维光子晶体
包覆球截面的SEM照 片
➢在实验室和实际应用中，光子晶体都是人 为加工得到的。
2、光子晶体光纤(Photonic crystal fiber—PCF)
➢1992年提出 ➢在石英光纤上规则地排列空气孔， ➢光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成。
➢缺陷态可以是大的空气孔或实心的石英。
➢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。
第三，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 m以 下。
➢PCF能够在波长低于1.31m获得反常色散，同 时保持单模；
➢为制作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供 了一种可能; ➢反常色散特性为短波长光孤子传输提供了可能 性。
➢目前已经在PCF中成功产生了850 nm光孤子， 将来波长还可以降低。
创新技术讲座
（2）
光纤通信新器件研究
一、光子晶体及其在光通信中的应用 二、微电子机械系统(MEMS)技术在光通信中的应用
一、光子晶体及其在光通信中的应用
➢光子晶体是近十几年来出现的新型材料； ➢可控制光子的运动； ➢被科学界和产业界称为”光半导体”或”未来的半导体”； ➢是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础 材料。
Hale Waihona Puke Baidu
第四、消除非线性
➢波分复用在一根光纤中传输多个信道时，随 着光功率增加，会出现交叉相位调制和四波混 频等材料的非线性现象，虽然可以通过增加有 效面积缓解非线性的影响，但过大的通光口径 又不能保证单模运转，限制传统单模光纤向更 大容量发展很难逾越的障碍。
➢依靠光子带隙传输的光子晶体光纤可使上述 障碍迎刃而解。
蝴蝶
猫眼石
光子晶体制备方法
困难：制备足够小的周期性结构。
精密机械加工法 半导体微纳米制造法
胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法 液晶全息法等
半导体微纳米制造法
Layer by layer method
由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与 层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对 于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为 一个重复单元，构成面心四方结构。d为 每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示 一个重复单元的尺寸。
电场
体心立方
磁场
当外加电场增大时，微球自组装形成体心 立方，柱內是有序的晶体排列；進一步加 上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由 体心四方结构转化为面心立方结构。由于 小球只需微小的运动即可以造成结构的转 换，故这种三维光子晶体的结构转换只需 简单的变化外加磁场的相对強度即可达到 。
面心立方
Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238
光子晶体的特性
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在光子 晶体内的某些方向上是严格禁止 传播的。
晶格类型， 光子材料的介电常数配比， 高介电常数材料的填充比。
2 光子局域
在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷 态频率符合的光子会被局限在缺陷位置， 而不能向空间传播。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
光子晶体--自然界中的例子
➢当满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比不 大于0.2， PCF具有无终止单模特性。
➢如果PCF的空气孔较大，将会与普通光纤一样，在 短波长区会出现多模现象。
第二、允许改变纤芯材料，加强光纤的非线性效应。
➢如果在PCF空气孔中填充合适的非线性材料，会显 著提高PCF的非线性。
➢Bell实验室发现，对高非线性PCF，由峰值功率只 有数瓦的100 fs光脉冲，注入75cm长的PCF，产生 了超宽连续光谱的单模光，带宽达到1000 nm，范 围从紫光到近红外。
➢ 高低折射率的材料交替排列形成周期性结 构，产生光子晶体带隙(Band Gap，类似于半 导体中的禁带)。光在晶体带隙中不能传播。
➢ 周期排列的低折射率点之间距离的不同，导致 光子晶体对不同频率的光波产生能带效应。
➢如果在光子晶体的周期性结 构中引入缺陷，破坏其结构的 周期性，即在光子禁带中引入 缺陷态，光波能在缺陷中传播， 且传输效率极高。