光子晶体和光子晶体光纤

光子晶体光纤
极大或极小的有效模场面积
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PCF的有效模场与光纤的绝对尺寸无关，只与空气孔径和间 距有关光纤的放大和缩小都可保持单模传输。
英国Bath大学的研究表明：光子晶体光纤中传输模的数量仅 由空气孔直径和空气孔间距d/Λ决定。因此只要包层的结构 设计合理，我们就可以设计制作极大或极小模场面积的单模 光纤。
光子晶体光纤
极大或极小的有效模场面积
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增大d/Λ，减小光纤的芯径，可以增大纤芯截面上的光功率 密度，使得光在这种光纤中传播时易产生如：四波混频、受 激拉曼散射等非线性效应。 极小模场面积光纤的这种非线性效应很强，并且对给定的功 率可以获得极高的光强特性，可以用来制成白光激光器。
光子晶体
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光是电磁波，因此科学家猜测光在此光子晶体中的 情况应该类似于电子在一般晶体内的模式。既然电 子在周期性原子晶格内具有电子能隙现象，那么光 在光子晶体内也应该有所谓“光子能隙”(photonic band gap)的存在。 光子能量在此一特殊结构下呈现不连续性，光子能 带间可能出现能隙，意即某些频带的电磁波强度会 因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在此结构内传播， 所以当这种光波入射此晶体时必然出现全反射现象， 此时可视为光子的绝缘体。
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c
2
2
代入波动方程，可得： 2 ' 2 2 E r 2 r E r 2 r E r c c
光子晶体
光子帯隙的产生：
因此在周期性势场中，电场E应满足方程：
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2 E
2
c
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光子晶体
1887年赫兹发现了光电效应以及 1905年爱因斯坦对此所提的光量 子理论解释后，科学家们了解到 光的确具有粒子的性质。
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光子晶体
1923年发现的康普顿散 射效应也支持光的粒子 性。 随着二十世纪量子理论 的兴起与发展成熟，人 们才清楚的知道光是电 磁波，同时具有粒子以 及波动的特性。
（1-2）
式中，V(r)=V(r+Rn)，ħ为普朗克常数，Ee为电子的 能量，在周期性势场中只能取本征值。
光子晶体
光子帯隙的产生：
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可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周 期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，ɛ0ω2/c2也 只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从 而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。
光子晶体
光子晶体与器件：
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在光子晶体的周期结构中引入缺陷，能够出现局域化的电磁场态 或局域化的传导态，就可以像在掺杂半导体中控制电子那样控制 光子。
光子晶体
光子晶体光纤通常由纯石英或聚 合物等材料为基地，在光纤的横 截面上具有二维的周期性折射率 分布（空气孔或高折射率柱）， 而沿光纤长度方向不变。
2
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如果介质为非磁性介质，则µ r=1。 对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时， 有
r r k n


光子晶体
光子帯隙的产生：
可将相对介电常数写为两个部分之和： 平均介电常数 r 和变动介电常数 r'
则有： k 2 r r '
在半导体材料中，电子禁带能够有效阻止电子通过半导体，从 而实现对电流的控制。而在光子禁带内，光子晶体将能够无条件 地反射任何形式的电磁波。
光子晶体
光子晶体与器件：
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• 光子禁带：电磁波受周期性势场的调制而形成能带，能带之间可能出现 带隙，即光子带隙或光子禁带。 • 光子局域：如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合 的光子就会被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处光将迅速衰减。
光子晶体光纤
光子晶体光纤的导光原理
a. 全内反射型 PCF导光原理 纤芯中传播. b. 光子带隙型 PCF导光机理
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周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够在
在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证 光不折射出去.
光子晶体光纤
光子晶体光纤的主要特性
a.无截止单模特性 b.可控的色散特性 c.良好的非线性效应
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d.优异的双折射特性
光子晶体光纤
无截止单模特性
普通阶跃折射率光纤（SIF）单模传输条件：
与λ基本无关
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VSIF ( )
2a

2 2 (nco ncl )1/ 2 2.405
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面缺陷 线缺陷 点缺陷
1D光子晶体 2D光子晶体 3D光子晶体
光子晶体光纤(PCF) 微结构光纤（MOF） 空洞光纤（Holey fiber）
光子晶体光纤
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光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructured optical fiber， MOF)或多孔光纤 (Holeyfiber，HF) ，它通过包层中 沿轴向排列的微 小空气孔对光 进行约束，从而 实现光的轴向传 输。独特的波导 结构，使得光子 晶体光纤与常规 光纤相比具有许 多无可比拟的传 输特性。
光子晶体
十七世纪是光学发展的一 个极为重要的时代，许多 关于光的现象和原理均在 此世纪出现。1611年，开 普勒（Johannes Kepler）所 发现光的全反射现象，是 目前光纤内光传输的基本 原理。
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光子晶体
光的特性 光到底是波还是粒子？ 1864年，麦克斯韦的论文“A dynamic theory of the electromagnetic field”中 推导出一准确以及简洁的数学式子来 描述光的传播，称之为麦克斯韦方程 式。光是电磁波的观念才逐渐地被科 学家们接受。
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
2 2 NA (nco ncl )1/ 2
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NA>0.8
高数值孔径内包层光纤晶体光纤，可以使在包层孔径不 大的情况下，接受更多的泵浦光，即使泵浦光耦合更容 易。因此可以增加双包层光子晶体光纤纤芯与内包层的 面积比，这有利于改善泵浦光的吸收效率（容易耦合）。
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光子晶体
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光的颜色与其本身的波长λ（或是频率，也就是每秒振动的次数） 有关。一般可将光在不同波长（频率）的区段分别加以区分姓名。
光子晶体
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电磁波属于横波，在传输时电场与磁场的振动方向相互 垂直，且电场磁场均与波的传播方向（k）垂直。
光子晶体
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
VSIF ( ) 2a
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2 2 (nco ncl )1/ 2 2.405
2 2 NA (nco ncl )1/ 2
普通光纤实现大模面积面临的问题：纤径增大，可增加模场面积，但 为了维持单模传输，折射率差就必须减小，从而光纤的数值孔径减小， 这是不利的（弯曲损耗大）。另外，折射率差收受材料的限制，而且 最小精确控制也是一个问题。
光子晶体
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光子晶体(Photonic Crystal)：是指折射率在空间周期性 变化的介电结构，其变化周期和光波长为同一数量级。 光子晶体也被称为光子带隙材料。
光子晶体
Power point
由于光子晶体中折射率在空间上必须为周期性的函數，我们可将 光子晶体依空间维度区分为：一维、二维以及三维等。 在一个维度上存在此周期性结构，则光子能隙只出现在此方向上； 如果在三个维度上都存在着周期性结构，则可以得到全方位的光 子能隙，此时特定频率的光进入此光子晶体后在各方向都将无法 传播。
光子晶体光纤
大模场面积单模特性
PCF优点：
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第一:大的纤芯尺寸，单模特性（真正的宽带），小的弯曲损耗。
第二:可以通过改变空气孔大小、间隔和分布状况来精确而灵活 的控制纤芯与包层的折射率差。MFD=21µm，模场面积350µm2 的大模面积光纤;
大模面积光纤：减小所用掺杂光纤的长度，降低非线性 效应，高破坏阈值；这可以使具有高峰值功率光纤激光 器和放大器系统的性能得到很大程度的改善。

V
● 普通光纤在短波呈现多模
光子晶体光纤
无截止单模特性
光子晶体光纤（PCF）的单模传输条件：
随λ减小而增加
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VPCF ( )
2

2 2 (nco ncl )1/ 2
, ncl
V趋于常数
通过合理设计微结构光纤的结构， 就可以 使V在任意波长均满足单模 条件，实现在任意波长的单模传导。
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入射光与折射光之间的路径关系遵守斯涅耳折射定律(Snell’s refraction law)：n1sinθ1 =n2sinθ2。当光由折射率大的物质进入到折 射率小的物质(即n2> n1 )，折射角θ2 会大于入射角θ1，此时为内折 射。在此内折射的情况下，当入射角大于某一临界角时，折射角 会等于90度，亦即出现全反射(total reflection)现象。
极大的模场面积可以有效的应用于高功率的传输，而不必担 心非线性效应。
光子晶体光纤
光子晶体光纤的色散特性
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光子晶体
信息技术革命
标志：半导体技术 趋势：微型化和高度集成化 限制：纳米尺度的量子效应