光子晶体光纤
光子晶体光纤
PCF的一些特性
非线性现象
减小光纤模场面积，可增强非线性 在孔中可以装载气体，也可以 效应，从而使光子晶体光纤同时具 装载低折射率液体，从而使光 有强非线性和快速响应特性。常规 子晶体光纤具有可控制的非线 光纤有效截面积在50－100μｍ量级， 性。 而光子晶体光纤可以做到1μｍ量级
PCF的一些特性
不同类型的光子晶体光纤及其应用
保偏光子晶体光纤
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热 扩张的合成材料形成，当光纤在拉制降温过 程中差异热扩张产生压力。相反保偏光子晶 体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的 大折射率差而形成双折射现象，从而得到更 小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之间的 耦合曲率。主要用于光传感器、光纤陀螺和 干涉仪。
不同类型的光子晶体光纤及其应用
高非线性光子晶体光纤
高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性 排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传 输。通过选择相应的纤芯直径，零色散波长 可以选定在可见光和近红外波长范围 （670nm~880nm），使得这些光纤特别适合 于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源 的超连续光发生器
光子晶体光纤的制备
• 预制棒的设计和制作 • 将预制棒拉丝
光子晶体光纤的制备
预制棒的设计和制作
（1）毛细管组合法
第一步是设计并制作出光子晶体光纤的截面结构： 第二步是形成光子晶体结构，将六角形细棒按三角形或蜂 首先选用直径为30mm的石英棒为原材料，然后沿石英 这种制造工艺最早由英国Southampton 大学Birks 等 窝形堆积起来形成所要求的晶体结构，然后放在光纤拉丝 棒轴线方向钻一个直径为16mm 的孔。接着将石英棒 塔上拉制成空气孔孔距为50μm 的细丝。接着再把这些细丝 人报道，他们的整个制作过程分为三步 第三步是复制堆积拉丝过程 磨成一个正六棱柱，然后将这个正六棱柱放在光纤拉丝 切断并再次堆积成三角形或蜂窝形结构，其中心用一根直 塔上拉制成直径为0.8mm 的六角形细棒，拉丝温度在 径完全相同的实芯细丝替代，这样在光纤中心引入缺陷。 2000℃左右。
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。
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤
空芯光子晶体光纤是一种新型的光传输方法。
与传统的光纤不同
的是，空芯光子晶体光纤的芯部是空心的，而不是实心的。
其设计基
于光子晶体的原理，在光子晶体的结构中，由于周期性的介质分布，
光子禁带结构可被形成。
这种结构使得该光纤能够抑制模式色散和损耗，使得光信号能够更加稳定地传输。
与传统光纤相比，空芯光子晶体光纤具有更低的色散和更高的带宽。
由于其空芯设计，在光传输时能够避免光信号与固体材料相互作
用的干扰，避免了散射和损耗，以及光信号逐渐带来的毛刺和模式失
真等问题。
此外，在光传输过程中，光信号和空气相互作用，并避免
了温度等因素对光信号的影响，使其能够在更宽广的温度范围内工作。
空芯光子晶体光纤除了能在光通信领域中应用，也有广泛的其他
应用。
例如，空芯光子晶体光纤应用于气体检测领域，可以实现高灵
敏度的气体检测，而且对于不同的气体，探测灵敏度也有所不同。
此外，空芯光子晶体光纤也能够用于传感领域，例如用于测量温度、压力、应力等物理量，获取准确的传感数据。
空芯光子晶体光纤的出现将推动光通信和光传感领域的发展和进步。
在未来，它有望成为新一代的光纤传输技术，并且有望将成为许
多新型光学仪器和设备的重要组成部分。
然而，由于其制造技术颇为
精密，研究和制造成本较高，目前仍处于相对早期的应用阶段。
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。
空心光子晶体光纤的导光原理
空心光子晶体光纤的导光原理
空心光子晶体光纤，又被称为光子带隙光纤，其导光原理是依赖于光子晶体的带隙效应。
这种光纤的包层由无数规则排列的空气孔构成，形成了一种具有严格周期性结构的光子晶体。
当纤芯被引入并破坏了包层的周期性结构时,就形成了一个缺陷态或局域态,产生了一个特定的频率范围。
这一频率范围内的光波在光子晶体中受到强烈的约束，无法自由传播。
然而，只有特定频率的光波能够在这个缺陷区域中传播，不受外部环境的干扰。
其他频率的光波则被禁止进入缺陷区域，因此无法在光纤中传播。
正是这种严格的带隙效应，使得光波被牢牢限制在空心光纤的纤芯中传播，从而形成了光子晶体光纤独特的导光机制。
这一原理的实现，不仅依赖于光子晶体的独特结构和周期性排列，还需要精确控制纤芯的位置和形状，以产生适当的光子带隙效应。
正是这种高度精确和复杂的设计，使得空心光子晶体光纤能够实现高效、低损耗的光传输，为现代光学通信和传感技术提供了强大的支持。
总结来说，空心光子晶体光纤的导光原理是基于严格的光子带隙效应,通过精确设计和控制纤芯与包层的结构关系，实现了对特定频率光波的有效约束和传输。
这一技术的出现，不仅在理论上丰富了我们对光波导现象的理解，还在实践上推动了光学通信和传感技术的进步。
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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。
FBG-PCF
最早的光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类 似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置在一个蜂窝 单元中心处增加一个空气孔，从而引入缺陷，形成芯区。
两种光纤的导模原理
上图所示的简单结构，芯区为低折射率 区，被高折射率包围，此时芯子中的任意角 度的入射光在n1和n2交界面处都发生反射和 透射，芯子中的光会随着传播距离的增大迅 速衰减，无法被束缚而形成导模。
1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研 制出世界上第一根全内反射型PCF，1998年Knight 等又率先拉制出光子带隙型PCF。
光子晶体光纤的分类
PCF导光机制分为两种，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，另外一种光 子带隙光纤（FBG-PCF）
光子晶体光栅的应用实例
2003年英国Bath大学研究人员报道了一种 利用高双折射光子晶体光纤制作的 Rocking滤波器，具有良好的性能（如图）
4.4 光子晶体光纤在能量传输中的应用
2004年，Shephard等首次报道了1064nm的Nd： YAG激光在空心带隙光纤中的高功率传输。激光 脉冲能量为0.37mJ、脉冲宽度65ns、复速率15kHz。 实验中使用7芯光子带隙光纤，光纤芯子直径约为 8.2um，光子晶体包层包含7层高占空比空气孔， 光纤长度为1m。
了解
4.3 光子晶体光纤光栅
由于光子晶体光纤特有的空气孔结构，可以在其内填充聚合 物、液晶等物质，利用控制温度、电场等外界条件的方法，谐振填 充物质的折射率，从而达到对光子晶体光纤光栅的谐振波长和谐振 强度进行调谐的目的 2000年，Eggleton及 Westrook制备出聚合物-石 英混合波导光子晶体光栅， 是在周期为550nm的光子晶 体光纤光栅包层空气孔注 入丙烯酸聚合物并通过紫 外光照射加速聚合物凝固。 该聚合物-石英混合波导光 子晶体光纤光栅在25-120摄 氏度的温度区间，谐振波 长漂移量⑥超过100nm，为 普通光纤布拉格光栅的10 倍以上。
了解
双折射
光子晶体光纤的出现为保偏光纤的研制提供了一条新 思路，由于光子晶体光纤横截面上折射率分布的对称性直 接由空气孔的大小和分布决定，因此通过适当的调整空气 孔的大小和排布可以达到破坏折射率对称性的目的，从而 人为的引入双折射。 由于光子晶体光纤通常是由单一的纯石英玻璃材料形 成，所以在温度稳定性和抗核辐射方面都较传统的保偏光 纤有很大的改善。另外，光子晶体光纤还具有无截止单模、 大有效面积和色散可控等优良性质，与高双折射特性相结 合，可以制作出特殊性能的保偏光纤。
一些例图
只供欣赏
• 2007年ECOC会议上NTT公司报道 了光子晶体光纤的损耗已经较低到 了0.18dB/km，（这个损耗已经小 于普通商用单模光纤的损耗，与目 前最好的纯石英芯光纤的损耗水品 0.148dB/km接近）
对于空芯光子带隙光纤，由于其对包层空气结构 的周期性要求要高很多，而且存在表面膜③等因 素的负面影响，就目前的水平而言，其传输损耗 较全内反射型要大一些，2005年，Bath大学的 Roberts等报道了空芯光子带隙的损耗达到了 1.2dB/km，如图
光子晶体光纤与传统越阶式光纤区别
不大懂
其他类型光子晶体光纤
全固光子晶体光纤 布拉格光纤
布拉格光纤
不详细介绍
光子晶体光纤的数值分析法
等效折射率模型 平面波方法 基于本地正交函数法 多极方法 时域有限差分法 有限元法
光子晶体光纤的制作
1.完成预制棒的设计和制作，预制棒里包含了设计结构 2.将预制棒放在光纤拉丝塔中，利用普通光纤的拉丝方
光子晶体光纤的损耗主要分为三类： （1）散射损耗 （2）吸收损耗 （3）限制损耗（光子晶体光纤特有，由于光子晶体 光纤包层空气孔的有限性引起的）
光子晶体光纤的谱损耗：
缺陷损耗 瑞利散射④损耗 紫外吸收损耗 红外吸收损耗
与光纤结构有 关的限制损耗
杂志吸收损耗
降低光子晶体光纤的损耗措施：
色散特性
TIR-PCF
如图所示为最早的全内反射型PCF，该光纤包层由周期 性的空气孔排列形成，芯子位置缺少一个空气孔，由 石英玻璃材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层 的有效折射率。此时导模机制类似于传统阶跃光纤的 全内反射机理。 PCF的特性与其结构紧密相关，只要改变空气孔在包层 中的分布规律和大小就可以设计出不同特性的PCF。
法在更精确的温度和速度中控制下拉制成符合尺寸要求 的光子晶体光纤 3.在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体的压强 和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获 得一系列的不同结构的光子晶体光纤
a. 毛细管堆积方法制作预 制棒 b. 石墨炉，温度18002000℃ c. 拉制成光子晶体光纤
预制棒的制作
C 真空中的光速 波长 光纤中模式传播常数 k0 自由空间波矢量 nm 材料折射率对波长 的依赖关系
ne
, nm
k0
D Dw Dm
D Dw Dm
光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折 射率差，光线中的空气孔的大小和排列方式可以 灵活设计，所以，光子晶体光纤可以灵活地设计 散射特性，如图：
• 毛细管组合法
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
• 溶胶-凝胶法
1. 将溶胶浇注成设计成的结构使 其凝胶 2. 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
1. 在构成预制棒的玻璃棒中插入 可被酸腐蚀的玻璃材料 2. 将它们按设计要求排列好并融 化成型 3. 利用酸腐蚀掉不需要的部分形 成的空气孔
下图所示为全发射型光子晶体光纤结构， 包层中存在周期性排列的低折射率n2单元， 使得光波所看到的平均折射率角的条件下，芯子中的光会在n1和n2交界面 处都发生全反射（与传统光纤类似），此时 模式场将会因全反射在光纤芯子中传播。
中图所示为光子带隙型光子晶体光纤结构，要想使光波 在折射率为n2的介质中传播，其传播常数β应小于材料 的折射率乘以真空中波数n2k0，此时光波能在所有介质 中传播，而当包层中各介质层满足布拉格条件时，会产 生严重的散射和干涉效应，在多重散射和干涉叠加的影 响下，光波的大部分能量可以被束缚在中心的低折射率 区中形成导模传输。某些结构的全内反射型光子晶体光 纤，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射 导模和光子带隙共存，其包层也可以提供光子带隙效应， 从而使得全反射导模和光子带隙导模共存。
第四章 光子晶体光纤
目 录
4.1 光子晶体光纤发展沿革 4.2 光子晶体光纤的传输特性 4.3 光子晶体光纤光栅 4.4 光子晶体光纤在能量传输中的应用
4.1 光子晶体光纤发展沿革
光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是在1987 年由普林斯顿大学的 S.John和美国贝尔通讯 研究中心的 E.Yablonovitch分别独 立提出，是由不同折射 率的介质周期性排列而 成的人工微结构。