传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的色散模拟论文
光子晶体光纤的色散模拟摘要光子晶体光纤由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的一个热门课题.为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性，人们发展了许多理论分析方法，这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具，在光子晶体光纤的研究领域占有很重要的地位.国内外在研究光子晶体方面的文章也非常之多，但是大都注重研究的结论，在众多的文献中能得到好多种光纤的特性信息，但却几乎找不到一种研究方法可以拿来直接用而不用经过和原作者一样的各种知识的繁杂学习的，基于提供一种通用而简单的研究光子晶体光纤的方法，作者通过自己对时域有限差分法(FDTD)和有限元方法的实践探索，总结出利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤数值模拟的一系列简单可行步骤及后处理过程的MATLAB程序，使一般的研究者只要根据本文给出步骤就可以进行各种光子晶体光纤特性的数值模拟。
本论文在系统介绍光子晶体光纤基础知识及各种理论研究方法，并对这些方法优缺点作简单比较的基础上，重点介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics实现光子晶体光纤特性数值模拟的具体方法步骤，并应用该方法计算了条形光子晶体光纤和锥形光子晶体光纤的色散特性参数，并对二者做了简单的比较。
【关键词】:锥形、条形光子晶体光纤;色散模拟;COMSOL Multiphysics;数值模拟摘要 (1)第一章绪论 (3)1.1光子晶体光纤简介 (3)1.1.1光子晶体光纤的概念 (3)1.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理 (4)1.1.3光子晶体光纤的制备 (6)1.1.3.1堆积法 (6)1.1.3.2挤压法 (7)1.1.3.3超声波打孔法 (7)1.2光子晶体光纤的特性 (8)1.2.1无截止单模( Endlessly Single Mode) (8)1.2.2不同寻常的色度色散 (9)1.2.3非线性特性 (9)1.2.4优良的双折射效应 (10)1.3光子晶体光纤的研究现状 (11)1.4光子晶体光纤的应用前景 (11)1.5光子晶体光纤色散方面的研究 (12)1.6本论文的内容 (13)第二章光子晶体光纤的数值模拟 (14)2.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤 (14)2.2光子晶体光纤的数值模拟实例 (14)2.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOL Multiphysics实现过程 (15)2.2.1.1应用模式的选取与打开 (15)2.2.1.2模型建立 (17)2.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置 (18)2.2.1.4求解参数的设置 (19)2.2.1.5求解及结果显示与分析 (20)2.2.2条形光子晶体光纤数值模拟实现过程 (22)2.2.2.1求解参数的设置 (22)2.3光子晶体光纤的色散计算 (24)第三章光子晶体光纤的色散计算结果及分析 (27)3.1锥形光子晶体光纤色散的计算结果 (27)3.2条形光子晶体光纤色散计算结果 (28)第四章总结 (32)参考文献 (33)致谢 (36)第一章绪论第一根光子晶体光纤是于1996年，由英国Bath大学的J.C.Knight研制出来的，它是一种二维方向上紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。
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
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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
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光子晶体光纤的特性及应用
光子晶体光纤的特性及应用作者：牛静霞李静来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。
文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。
关键词：光子晶体光纤特性光器件0 引言光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。
光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。
光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。
1 光子晶体光纤的导光原理光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)两类。
带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的。
在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图1（a）。
折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。
由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。
由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图1（b）。
光纤光栅的分类
光纤光栅的分类光纤光栅是一种基于光纤技术的光学元件，它可以将光信号转化为电信号或者进行光谱分析等应用。
根据不同的制备方法、工作原理和应用场景，光纤光栅可以分为多种类型。
本文将对光纤光栅的分类进行详细介绍。
一、基于制备方法的分类1. 折射率调制型光纤光栅折射率调制型光纤光栅是通过改变光纤中的折射率分布来实现光信号的分析和处理。
这种光纤光栅的制备方法通常是将光纤暴露在紫外线下，利用紫外线的辐射将光纤的折射率分布改变，形成光栅结构。
折射率调制型光纤光栅的优点是制备简单、成本低廉，但是其灵敏度较低，只能用于一些基本的光学测量。
2. 电弧放电型光纤光栅电弧放电型光纤光栅是一种利用电弧放电技术制备的光纤光栅。
该方法是将两个电极分别与光纤相连，然后在两个电极之间产生电弧放电，使得光纤表面形成光栅结构。
电弧放电型光纤光栅的优点是制备过程简单，可以制备出高灵敏度的光栅结构，但是其制备过程需要一定的技术水平。
3. 光子晶体型光纤光栅光子晶体型光纤光栅是一种利用光子晶体技术制备的光纤光栅。
该方法是将光纤放置在光子晶体中，通过改变光子晶体的结构来形成光栅结构。
光子晶体型光纤光栅的优点是可以制备出高质量的光栅结构，但是其制备过程比较复杂，需要一定的技术水平。
二、基于工作原理的分类1. 感应型光纤光栅感应型光纤光栅是一种利用感应效应实现光学测量的光纤光栅。
该光栅结构中，光纤的折射率分布会随着外部环境的变化而发生变化，从而影响光信号的传输。
感应型光纤光栅的优点是可以实现非接触式的测量，但是其灵敏度较低，适用范围有限。
2. 干涉型光纤光栅干涉型光纤光栅是一种利用干涉效应实现光学测量的光纤光栅。
该光栅结构中，光纤的折射率分布会随着外部环境的变化而发生变化，从而影响光信号的传输。
干涉型光纤光栅的优点是可以实现高灵敏度的测量，但是需要较高的制备技术和精度。
三、基于应用场景的分类1. 光纤传感器光纤传感器是一种利用光纤光栅实现传感器功能的装置。
光子晶体光纤模式特性研究
光子晶体光纤模式特性研究摘要:利用有限元法对PCF进行经过简化的矢量波动方程模拟计算,获得了所需要的模场分布、有效折射率、色散等参数,并与实验数据相参照验证了这种方法的准确性和精度。
与其他方法相比具有更快的计算速度,计算所得到的结果对将来设计和拉制微结构光纤很有帮助,并且这种方法在设计不规则的微结构光纤方面具有很好的优势。
关键词:光电子学光子晶体光纤微结构光纤有限元法光子晶体光纤(photonic crystal fiber—PCF)的概念,最早是由J.Russell等人于1992年提出的。
在外观上PCF和传统光纤极为相似,但是横截面结构十分独特,是由石英棒或是石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷。
PCF可分为两种。
一种称为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF),其纤心“缺陷”为石英的实心光纤。
另一种称为光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF),其纤心“缺陷”为空气孔的空心光纤。
由于PCF这种带孔的包层结构可以人工改变和拉制它的一些参数,因而也可以改变和控制光子晶体光纤的一些性质。
PCF的这些新奇的性质在很多领域中广泛地应用,引起了人们极大的关注。
近年来,微结构光纤的制造技术、理论研究方法以及在不同科学领域的广泛应用都取得了很大的进步,国内也在这方面开始了一系列的研究工作。
1 分析方法的选择PCF问世后,人们先后提出了多种数值模拟方法对其进行分析,如:有效折射率法、平面波法、边界元方法、有限元方法、有限差分法等．这些方法对于PCF的模拟分析各有优缺点和适用范围。
主要分两大类数值方法研究光子晶体光纤,第一类是已有的用于分析光波导的通用的数值方法。
这类方法通用性强、结果可靠等特点,很快被应用于研究光子晶体光纤,其主要缺点是由于未考虑光子晶体光纤的特点,因而计算量较大,精度方面一般也稍差一些。
第二类是专门针对光子晶体光纤或光子晶体提出来的新方法,针对性强,在计算方面有其优势,如平面波展开法在计算光子带隙,周期孔包层模的有效折射率效果好、计算量小;多极法可以获得很高精度的模式有效折射率和损耗值等。
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。
空心光纤
空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。
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（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，所以折射率波导型光子晶体光纤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。
但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。
带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。
采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。
传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。
通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。
因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤（HC-PCF）比传统光纤更有优势。
与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。
相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。
多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。
在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。
要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。
这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100nm粗。
这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。
因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。
尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似。
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。
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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。
光子晶体光纤
折射率导光机理
光子能隙导光机理
按导光机理来说 , PCF 可以分为两类 : 折射率导光机理 光子能隙导光机理
传统光纤与光子晶体光纤比较
传统光纤与光子晶体光纤 比较
CONTENTS
1
传统光纤
4
光子晶体光纤
与光子晶体光纤比较
光子晶体应用
总结
传统光纤
传统光纤结构原理
玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微 米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。 一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。 根据光的折射和全反射原理,当光线射到 内芯和外层界面的角度大于产生全反射 的临界角时，光线透不过界面，全部反 射。
光子晶体的应用 2、人类应用 （二）能量传输基本无 损失，也不会出现延迟 等影响数据传输率的现 象。 （三）光子晶体制成的 光纤具有极宽的传输频 带，可全波段传输。
光子晶体光纤
光子晶体光纤是光子晶体一
个极为重要的应用 , 它较 传统光纤具有显著的优势。
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单极特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
总结
光导纤维 是由两层折射
率不同的玻璃组成。内层 为光内芯，直径在几微米 至几十微米，外层的直径 光子晶体光纤（PCF）是 基于光子晶体技术发展起 来的下一代传输光纤。光 子晶体光纤在外观上和传 统普通单模光纤非常相似， 但是微观上光子晶体光纤 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。
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
• 非线性特性 • 无休止单模特性 • 色散特性 • 不同的损耗机能 • 零损耗的潜能 • 光纤大芯径
传统光纤与光子晶体光纤比较
光子晶体光纤的特性
0.1 ～ 0.2mm 。一般内芯
玻璃的折射率比外层玻璃 大1%。
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有三个突出的优点 :
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。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到 1 μ m 以下。
光导纤维是由两层折射率不同的
传统光纤
通信应用
1
传统光纤
传感器应用
医学应用
传统光纤
通信应用
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传统光纤
传感器应用
医学应用
传统光纤
通信应用
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传统光纤
传感器应用
医学应用
光子晶体的概念
光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和
E.Yablonovitch分别独立提出。 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。
光子晶体的概念
从晶体结构来说，晶体内部的原子是 周期性有序排列的，正是这种周期势 场的存在，使得运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结 构，带与带之间可能存在带隙。
光子晶体的概念
光子在光子晶体中的运动规律与电子在固 体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中 介电函数的周期性变化能产生光子能带结 构. 当电磁波在周期性排列的介电材料中 传播时,由于在不同介质交界面处介质对 电磁波的布拉格散射,电磁波将受到调制 而形成能带结构,并导致在带与带之间光 子能隙的出现. 光子能隙不仅与光子能量 有关,而且与光波的传播方向有关. 光子能 隙可分为两种:一种不完全能隙,能隙只出 现在某些特定的方向上;另一种是完全能 隙,即在各个方向上都有能隙存在. 如果光 子落在完全能隙内,则此频率的光在该光 子晶体中沿任何方向都不能传播,这就是 所谓的光子禁带.
敬请批评指正！ 谢谢大家！
光子晶体的应用 1、自然界中的应用
蛋白石
蝴蝶
光子晶体的应用 2、人类应用
（一）光子晶体波导具有
优良的弯曲效应。 一般的光纤波导中，波导拐弯时，全 内反射条件不再有效．会漏掉部分光波 能量，使传输效率降低。而光子晶体弯 曲波导中，利用不同方向缺陷模共振匹 配原理。原则上只要达到模式匹配，不 管拐多大弯，都能达到很高的传输效率。