光子晶体光纤 (PCF)
带隙型光子晶体光纤研究与应用
带隙型光子晶体光纤研究与应用带隙型光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种由周期性排列的微纳结构构成的光纤。
与传统的光纤相比，PCF具有非常独特的光学特性和潜在的广泛应用。
在近年来，PCF的研究与应用引起了广泛的关注。
首先，PCF的最大特点之一是具有宽、平坦的带隙。
由于光子晶体结构中周期性排列的空孔或者材料折射率的变化，PCF可以在特定波长范围内选择性地抑制或允许光的传输。
这种带隙效应可以实现对特定波长的光的高效传输和控制，从而在光通信、传感器、激光器等领域具有广泛的应用前景。
其次，PCF还具有超分布反射效应（Total Internal Reflection，简称TIR）。
由于PCF的折射率分布是周期性的，这种结构可以实现对光的总反射，避免光的泄露和损耗。
这种TIR效应使得PCF可以实现高效的单模传输，从而提高光纤的传输容量和质量。
此外，PCF还具有较大的模场直径，可以在大的模场直径下实现低损耗的传输。
这一特点使得PCF在高功率应用中具有潜力，如医学激光手术、材料加工等领域。
最后，PCF还可以通过控制其微纳结构的设计和改变，实现多种光学性质和功能的调控。
例如，通过调整空孔的直径和间距，可以调节PCF的色散特性，实现超短脉冲的传输与控制。
通过引入掺杂物质或者改变微纳结构的形状，PCF还可以实现光子晶体光纤传感器，用于监测温度、压力、浓度等物理量，并且具有高灵敏度和高分辨率。
基于以上的特点，PCF在光通信、光传感器、激光器等领域具有广阔的应用前景。
例如，PCF可以用于增强和优化光纤通信系统的传输性能，提高传输能力和质量。
在光传感器领域，PCF可以实现高灵敏度和高分辨率的传感效果，应用于环境监测、生物传感等领域。
此外，PCF还可以用于光纤激光器的设计与制备，为激光器的发展提供新的思路和方法。
总之，带隙型光子晶体光纤具有独特的光学特性和广阔的应用前景。
随着对PCF的研究与应用的深入，相信PCF将在各个领域得到更多的关注和应用，为光学通信、传感器、激光器等技术的进步和创新提供新的解决方案。
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一一、引言随着现代科技的不断发展，光子晶体光纤（PCF）因其独特的物理和光学特性，在传感器技术领域得到了广泛的应用。
其中，光子晶体光纤光栅（PCF-Bragg Grating）作为一种重要的光学元件，具有高灵敏度、高分辨率以及良好的稳定性等优点，被广泛应用于折射率传感领域。
本文旨在研究光子晶体光纤光栅的折射率传感特性，为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、光子晶体光纤与光栅原理1. 光子晶体光纤（PCF）原理光子晶体光纤是一种基于光子晶体原理的光纤，其内部结构具有周期性排列的微结构。
这种结构使得光子晶体光纤在光传输过程中具有较低的损耗和较强的约束能力，可有效控制光的传播方向和模式。
2. 光栅原理光栅是一种具有周期性结构的衍射元件，其作用是将入射光束分解成多束衍射光束。
在光子晶体光纤中引入光栅结构，可形成光子晶体光纤光栅（PCF-Bragg Grating），其具有对特定波长或波长范围的光束进行选择性衍射的能力。
三、PCF-Bragg Grating折射率传感特性研究1. 实验原理与方法本研究采用PCF-Bragg Grating作为传感器元件，通过测量衍射光谱的变化来反映外界折射率的变化。
实验中，我们使用不同浓度的溶液作为折射率变化的介质，将PCF-Bragg Grating浸入不同浓度的溶液中，观察其衍射光谱的变化情况。
同时，我们还采用光谱仪等设备对衍射光谱进行精确测量和分析。
2. 实验结果与分析实验结果表明，当PCF-Bragg Grating浸入不同浓度的溶液中时，其衍射光谱发生了明显的变化。
随着溶液浓度的增加，衍射光谱的峰值波长逐渐发生红移或蓝移。
这一现象表明PCF-Bragg Grating的折射率传感特性具有良好的灵敏度和分辨率。
此外，我们还发现PCF-Bragg Grating的稳定性较好，能够在不同环境下保持较高的测量精度和可靠性。
为了进一步分析PCF-Bragg Grating的折射率传感特性，我们采用了多种数学方法对实验数据进行处理和分析。
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》范文
《光子晶体光纤光栅折射率传感特性的研究》篇一摘要：本文旨在研究光子晶体光纤光栅（PCF-FBG）在折射率传感方面的特性和应用。
首先，通过对光子晶体光纤及光纤光栅的基本原理进行概述，分析PCF-FBG的结构特点和传感原理。
随后，通过实验和模拟相结合的方式，探究PCF-FBG在不同环境折射率下的传感响应，并对其传感特性进行详细分析。
最后，总结PCF-FBG在折射率传感领域的应用前景及潜在优势。
一、引言随着科技的发展，光纤传感器因其高灵敏度、抗干扰能力强等优点，在众多领域得到了广泛应用。
其中，光子晶体光纤（PCF）因其独特的光学特性，在传感领域展现出巨大的潜力。
而光纤光栅（FBG）作为一种重要的光纤无源器件，其与PCF的结合，即光子晶体光纤光栅（PCF-FBG），在传感领域具有独特的优势。
本文将重点研究PCF-FBG在折射率传感方面的特性和应用。
二、光子晶体光纤及光纤光栅概述1. 光子晶体光纤（PCF）的基本原理与结构特点光子晶体光纤是一种具有周期性折射率变化的光纤，其特殊的结构能够控制光的传播路径，使得光纤中的光场得以有效限制和调控。
2. 光纤光栅（FBG）的传感原理光纤光栅是通过在光纤中制造周期性折射率变化来实现的，它对外部环境的物理量（如温度、应力、折射率等）具有较高的敏感度，可应用于多种传感器中。
三、PCF-FBG的结构与传感原理1. PCF-FBG的结构特点PCF-FBG是将PCF与FBG相结合的产物，它既具有PCF的光学特性，又具有FBG的传感特性。
其结构由周期性折射率变化的光子晶体光纤和光纤光栅组成。
2. PCF-FBG的传感原理PCF-FBG通过检测外部环境折射率的变化引起的光信号变化来实现传感。
当外部环境折射率发生变化时，PCF-FBG的光谱特性会发生变化，从而引起光信号的变化，这种变化可以被检测并转换为电信号，实现对外界折射率的测量。
四、实验与模拟研究1. 实验方法与步骤通过搭建实验平台，对PCF-FBG在不同环境折射下的传感响应进行实验研究。
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。
光子晶体光纤 (PCF)
1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
4. 光子晶体光纤
• 在传统的光纤中，光在中心的氧化硅纤芯里传播 • 通常采取掺杂的办法提高其折射系数，以增加传输效率，但不 同的掺杂物只能对一种频率的光有效 • 英国Bath大学的研究人员用几百个传统氧化硅棒和氧化硅毛细 管一次绑在一起组成六角阵列，在 2000 度高温下烧结后制成 了二维光子晶体光纤。在光纤的中心可以人为地引入空气孔作 为导光通道，也可以用固体硅作为导光介质 —— PCF • 光子晶体光纤在两个方面明显优于传统的光纤
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。
2024年光子晶体光纤市场分析报告
2024年光子晶体光纤市场分析报告1. 前言光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）是一种具有特殊微结构的光纤，可以通过改变晶体结构的参数来改变其光学特性。
近年来，随着通信技术的不断发展和对高速、宽带传输需求的增加，光子晶体光纤作为一种新兴的传输介质，逐渐受到市场的重视。
本报告将对光子晶体光纤市场进行分析，并展望未来的发展趋势。
2. 市场规模根据市场研究数据显示，光子晶体光纤市场在过去几年中保持了快速增长的势头。
预计到2025年，全球光子晶体光纤市场规模将达到XX亿美元。
主要推动市场增长的因素包括：•通信行业的发展，特别是5G技术的普及，将进一步推动对高速、大容量光纤传输的需求，从而促进了光子晶体光纤市场的增长；•光子晶体光纤相比传统光纤具有更好的光学性能，例如更低的损耗和更大的非线性系数等，这使得其在一些特定应用领域有着较大的市场需求。
3. 市场应用光子晶体光纤在通信、传感和医疗等领域都具有广泛的应用前景。
3.1 通信领域光子晶体光纤在通信领域中被广泛应用，主要体现在以下几个方面：•高速传输：光子晶体光纤具有较低的传输损耗和衍射损耗，能够实现超长距离、高速传输，适用于长距离通信传输；•大容量传输：光子晶体光纤具有较大的模场面积，可以承载更多的光信号，从而实现更高的传输容量；•光纤放大器：光子晶体光纤作为一种新型的传输介质，可以用于光纤放大器的制造，提供更强的信号增强能力。
3.2 传感领域光子晶体光纤在传感领域有着广泛的应用前景，主要包括：•温度传感：光子晶体光纤的折射率受温度变化的影响较大，可以利用其温度敏感性来实现高精度的温度测量；•压力传感：光子晶体光纤的结构可以根据外界压力变化而发生变化，可以将其应用于压力传感器的制造；•化学物质传感：通过改变光子晶体光纤的结构以及涂覆上化学物质敏感层，可以实现对特定化学物质的高灵敏度检测。
3.3 医疗领域光子晶体光纤在医疗领域也有着广泛的应用，主要包括：•光学成像：光子晶体光纤的高光学性能使其成为医学光学成像领域的重要工具，可以用于内窥镜、皮肤成像等；•激光治疗：光子晶体光纤可以用于激光治疗，通过将激光能量通过光纤传输到目标组织，实现精准治疗。
光子晶体光纤
谢谢观看
光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列 方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应，这为我们设计高性能的偏振器 件提供了可能。
概念提出
概念提出
光子晶体的概念最早出现在1987年，当时有人提出，半导体的电子带隙有着与光学类似的周期性介质结构。 其中最有发展前途的领域是光子晶体在光纤技术中的应用。它涉及的主要议题是高折射率光纤的周期性微结构 （它们通常由以二氧化硅为背景材料的空气孔组成）。这种被谈论着的光纤通常称之为光子晶体光纤（PCFs）， 这种新型光波导可方便地分为两个截然不同的群体。第一种光纤具有高折射率芯层（一般是固体硅），并被二维 光子晶体包层所包围的结构。这些光纤有类似于常规光纤的性质，其工作原理是由内部全反射（TIR）形成波导； 相比于传统的折射率传导，光子晶体包层的有效折射率允许芯层有更高的折射率。因此，重要的是要注意到，这 些我们所谓的内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs），实际上完全不依赖于光子带隙（ PBG ）效应。与TIRPCFs截然不同的另一种光纤，其光子晶体包层显示的是光子带隙效应，它利用这种效应把光束控制在芯层内。这 些光纤（PBG-PCFs）表现出可观的性能，其中最重要的是能力控制和引导光束在具有比包层折射率低的芯层内传 播。相比而言，内部全反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）首先是被制造出来的，而真正的光子带隙传导光纤（PBGPCFs）只是在近期才得到实验证明。
光子晶体光纤的典型拉制过程:首先是完成预制棒的设计和制作塔中,利用普通光纤的拉制方法在更精密的温度和速度控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤。 在拉制过程中,通过调整预制棒内部惰性气体压强和拉制的速度来保持光纤中空气孔的大小比例,从而获得一系列 不同结构的光子晶体光纤。一些研究小组还报道一些特殊的预制棒制作方法,这些方法可以用来拉制特殊材料或特 殊结构的光子晶体光纤。例如,由于软玻璃材料并不像硅一样易形成管状,普通的堆管制作预制棒的方法不适用, 利用直接挤压形成预制棒的新技术则能制作这类材料的光子晶体光纤预制棒。通过堆叠、冲压和钻孔的方法可以 很好地制作聚合物材料的光子晶体光纤预制棒。通过一种独特的卷雪茄技术将聚合物与玻璃合成布拉格结构的光 子晶体光纤。而P.Falkenstein等则是在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料,将它们按设计要求排 列好并融化成型后,利用酸腐蚀掉不需要的部分形成空气孔,这种方法形成的预制棒能拉制出结构更完美、更符合 设计要求的光子晶体光纤。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
•
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
• 参考资北京：北京大学出版社. 2006.
版权声明
本课件根据作者多年教学经验制作。课件中 Flash 动 画和图片由课件作者从网络上搜集，原作者不详，所 有版权归原作者所有，请勿另作它用，否则责任自负， 本课件作者不承担连带责任。 由发布者设计和编写的内容采用 知识共享 署名-相同 方式共享 3.0 未本地化版本 许可协议进行许可。课件 内容会经常更新，详见作者网站上的《光电子学》课 件发布页面。
超连续包含有上百万个单独频率，
频率间隔由泵浦激光器的重复率精
确分开。形成的频率阶梯可用作进 行频率测量的高精度标尺，称为光 学频率梳。用这种“频率梳”对光 频的测量精度高达 5.1×10－16
Ⅱ 光子带隙型PCF的特性
• 在一个二维散射体阵列（如空气孔）中，如果散射体和基体材料的折射率之 比足够大，由于干涉效应，在一定的频率范围内，在该平面的所有方向的传 播将被禁止，这些频率窗口即光子带隙（PBG）。光子带隙结构可能将辐射 陷在散射中心晶格的点或线缺陷上 • 在这里，石英和空气的折射率之比还是太小，导致至少在周期结构中平面内 传播的波不能产生光子带隙效应
1.1 结构 • 下图是不同维数光子晶体的模型和实例
• 光子晶体里重复结构（或称晶胞）的单元尺度是光波长 （μm）量级。通过巧妙的安排和设计光子晶体可以控制光 子流
第一块光子晶体
• 1991年，Yablonovich 制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用 机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”， 它可以阻止里面的微波从任何方向传播出去。
自然界中的光子晶体结构
1.2 光子带隙基础
• 理解光波在光子晶体中的传播行为的最简单方法，就是把它与半导体内的电 子和空穴的运动作一比较
能量E 导带 禁带 由缺陷或杂质在禁带中引起的能级
在半导体禁带中由缺陷或杂质引起的能级分布图
• 当光子穿过一块含有一些排列成晶格结构的细微空气孔的 透明介电材料时，这种光学结构是带有空气孔的低折射率 区域散布在高折射率区中。
ω
带隙
k
1.3 优点Ⅰ
光子晶体可控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光
通信的一种关键性基础材料。
1. 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。
• 高折射率导波光纤
• 类似于标准的全内反射传导，根据修正的全内反射原理，在实心中传导光波
• 低折射率导波光纤——光子带隙型光纤
• 由光子带隙效应传导光波 • 光子带隙效应使光波不可能在微结构包层区传播，只能沿低折射率的芯传播 • 由于有一定角度的光子带隙结构阻止了其他模的传输，所以可以得到单模传输
• 工作频率范围大 • 体积小 • 易于集成，很容易在硅片上集成或在硅基上制成
• 光子晶体还有许多其它应用背景，如无阈值激光器、光 开关、光放大、滤波器等新型器件 • 随着对光子晶体的许多新的物理现象的深入了解和光子 晶体制作技术的改进，光子晶体更多的用途将会被发现
2 光子晶体光纤(PCF)
• 一些研究者将光子晶体用于光波导，并在1992年提出了光子晶体 光纤的概念 • 在1996年光纤通信会议(OFC)上，发布了实用样品“无限长的单模 光子晶体光纤” • 其制作是用具有内部周期结构的充满空气的毛细管拉制而成光纤， 最终形成六角形晶格
• 变形气孔的存在 • 多余孔的出现 • 结构对称性的偏离
2.4 光子晶体光纤特性
• 光子晶体光纤具有新颖而有趣的光学特性，其新颖性包括：
• 可见光波段的反常色散 • 全波段的单模传输 • 很高的光学非线性
• 下面分别讨论两种光子晶体光纤的性质
Ⅰ 折射率导波型 PCF的特性PCF的基本性质，如图 • 可以用有效折射率模型定性地理解折射率导波型
• 但是在PCF中，如果纵向波矢（即光纤中的传播常数）足够大时，在横向上 即使很小的折射率阶跃也能成为有效的散射中心 • 因此，对于给定的足够大的传播常数，在石英/空气结构中可能存在禁止频 率范围——光子带隙 • 或者说，对于给定的频率，某些传播常数是不允许的
与折射率导波型PCF相比的不同
1. PBG光纤是在低折射率材料中传导光波 2. 折射率导波型光子晶体光纤通常对所有频率有导模，而PBG光 纤只在特定频带中传导，而且当基模不传导时，可能存在某些 传导高阶模的频率
1.3 优点 Ⅱ 2. 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 3. 光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，可全波段传输
1.4 应用
• 光子晶体的光子带隙的存在使它具有很重要的应用背景。 可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件 1. 高性能反射镜
• • 频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中转播， 因此，选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从 任何方向入射的光，反射率几乎为100% 而传统的金属反射镜虽然在较大的波段内可以反射光，但在 红外波段有较大的吸收 如果把这种光子晶体反射镜用作平面天线的衬底，可以解决 衬底透射的问题
• 在很宽的频率范围内支持单模运行 • 可以传输更大功率
5. 光子晶体超棱镜
• 常规的棱镜难以分开波长相近的光 • 用光子晶体制成的超棱镜，分光的能力比常规棱镜大100 到 1000 倍，而体积只有常规棱镜的百分之一大小 • 这对光通信中的信息处理有很重要的意义
6. 光子晶体偏振器
• 用二维光子晶体制作的偏振器具有传统的偏振器没有的优点
λ
n 2d sin
θ
d
当波长和周期结构的尺寸满足布拉格条件λ~2d 时， 该周期结构将反射入射波。其中d为周期常数。
• 若有一束平面波入射到晶体上，大多数波长 λ 的光波在晶 体中传播时不被散射，而当 λ ~ 2d 时，由于布拉格反射， 光波无法在晶体中传播。 • 即，某个波长范围的光子在这种结构中不能占据一个能量 状态。这些光子在该结构中是被禁止的，不能传播。这就 是光子带隙 PBG。
• 宽波长范围的单模运转
• 普通光纤，导模数目由V 参数决定，在长波长是单模运转的光纤，在短波长事实上是多 模的 • PCF可以在337~1555nm的范围内实现单模运转 • 这是因为，有效折射率可以看作是包层的平均折射率，同时要考虑光在包层中的强度 分布；在短波长光场较集中于SiO2区，避开了气孔区，这样就提高了有效折射率，降低 了V对波长的依赖关系，从而有可能扩展单模运转的波长范围 • 对前面的例子，只要 d/Λ<0.45，就能在所有波长下单模运转
• 对光子来说，这种折射率的差异，就像是电子穿越硅晶体 的周期电势的经历。如果两个区域的折射率差异较大，那 么光波将被限制在电介质材料或空气孔内。 • 这一限制引起了在禁区中容许能量区的形成——称为光子 带隙（photonic band gap, PBG）
• 可以通过布拉格反射来理解光子带隙的概念
红色区域：高折射率介质 蓝色区域：低折射率介质 白色区域：空气
2.3 PCF的制作
1mm
20mm
1800℃ 0.1mm
SEM micrographs of PCF
4μm
直径5μm
from
PCF制作的技术难题
• 因为要控制温度和拉伸速度等宏观参数来得到微观尺寸的结构，制作满足所 要求的传输特性的PCF是一个相当困难的技术问题
• 高数值孔径PCF
2 N . A. nc2 ncl
• SiO2和空气的折射率之比很大，因而有可能制造出N.A.>0.7的大数值孔径多模光子晶体 光纤，可用于对信号失真要求不严格的高功率的聚光和传输 • 一个非常重要的应用是制造双包层光纤激光器和放大器
• 超连续谱的产生
• 超连续谱的产生是一个复杂的非线性效应 • 当超短高功率脉冲在材料中传输时，由于一系列的非线性效应，其频谱有巨大的展宽