光子晶体光纤
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
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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
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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
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。
实心光子晶体光纤的传光机理
实心光子晶体光纤的传光机理
实心光子晶体光纤的传光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播。
这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。
光子能隙导光机理：包层为周期性排布的空气孔，其导光机理为二维光子晶体的光子带隙，即当包层空气孔间距和直径满足一定条件时，其频率处于带隙范围内的光波被禁止向包层方向传播，只在缺陷纤芯中沿着缺陷的方向进行传播。
由于光子带隙导光机理为包层光子带隙，因此对于纤芯的折射率没有太大限制，使得空芯导光成为了可能，但是带隙型导光对光纤包层结构的周期性要求非常严格，以确保形成有效的光子带隙，因此对制作工艺水平要求很高。
光子晶体原理及应用
光子晶体原理及应用光子晶体是一种具有周期性分布的介质结构，其周期与光的波长相当，并且通过光子晶体的介质结构可以控制光的传播和与物质的相互作用。
光子晶体的原理是通过改变晶体的周期性结构来改变入射光波的传播特性，从而实现对光的控制。
光子晶体的制备方法有很多种，常见的包括自组装法、光阻法、多光束干涉法等。
其中最常用的方法就是利用自组装原理，通过改变介质的化学成分和控制成核条件，使得光子晶体在一些特定的波长范围内具有周期性结构。
光子晶体的应用十分广泛，下面就几个典型的应用领域进行介绍。
1.光子晶体光纤光子晶体光纤是通过将光子晶体材料制备成光纤的结构，并利用光子晶体的禁带特性来实现对光波的传播控制。
与传统光纤相比，光子晶体光纤具有更小的损耗和更宽的通信带宽，可以大大提高信息传输的能力。
光子晶体光纤已经广泛应用于通信、传感和激光器等领域。
2.光子晶体传感器光子晶体的禁带结构对入射光波的敏感性很高，可以通过改变光子晶体结构或调节入射光波的频率来实现对光波的敏感探测。
光子晶体传感器可以用于气体、液体、化学品等环境的探测。
例如，在环境监测中，可以利用光子晶体传感器来监测大气中的有害气体浓度，实现对环境的实时监测。
3.光子晶体光子集成电路光子晶体材料可以通过微细加工技术制备成光子集成电路的结构，将不同功能的光子晶体结构集成在一个芯片上，实现对光波的控制和处理。
光子晶体光子集成电路具有体积小、功耗低和传输速率高等优点，可以应用于光通信、光计算和光存储等领域。
4.光子晶体激光器光子晶体结构可以用来实现激光器的工作原理，通过调节光子晶体的结构参数和控制激发条件，可以实现对激光的频率、相干性和发射方向的控制。
光子晶体激光器具有窄线宽、高亮度和高稳定性等特点，可以应用于激光雷达、光学通信和光学显微镜等领域。
综上所述，光子晶体作为一种新型的功能材料，在光学领域有广泛的应用前景。
通过对光子晶体的制备和调控，可以实现对光的控制和处理，使得光子晶体具有非常丰富的应用潜力。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究光子晶体光纤是一种具有特殊结构的光纤，其核心是由周期性排列的微小孔洞构成的光子晶体。
相比传统光纤，光子晶体光纤具有更好的光传输性能和更广泛的应用前景。
其中，纵向渐变折射率是光子晶体光纤中的一个重要研究方向。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率指的是光子晶体光纤的折射率在纵向方向上的变化。
传统光纤的折射率是均匀的，而光子晶体光纤通过控制孔洞的尺寸和排列方式，可以实现折射率的渐变。
这种纵向渐变折射率的设计可以改变光的传播特性，实现对光的控制和调制。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究主要包括两个方面：一是纵向渐变折射率的设计和制备，二是纵向渐变折射率对光传输性能的影响。
在纵向渐变折射率的设计和制备方面，研究人员通过调整光子晶体光纤中孔洞的尺寸、形状和排列方式，实现了不同程度的折射率渐变。
例如，可以通过改变孔洞的直径，使得光子晶体光纤的折射率从内核到外壳逐渐增大或减小。
此外，还可以通过改变孔洞的形状，实现不同方向上的折射率渐变。
这些设计和制备方法为光子晶体光纤中纵向渐变折射率的研究提供了基础。
纵向渐变折射率对光传输性能的影响是光子晶体光纤研究的另一个重要方面。
通过控制纵向渐变折射率，可以实现对光的传播速度、色散特性和模式耦合的控制。
例如，当光子晶体光纤的折射率从内核到外壳逐渐增大时，光的传播速度会逐渐减小，从而实现光的减速效果。
而当光子晶体光纤的折射率在纵向上呈现周期性变化时，可以实现色散的调制，从而对光信号进行调制和处理。
光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究不仅在基础科学研究中具有重要意义，也在光通信、光传感和光子器件等应用领域具有广阔的应用前景。
例如，通过控制纵向渐变折射率，可以实现光信号的调制和解调，从而提高光通信系统的传输速率和容量。
此外，光子晶体光纤中的纵向渐变折射率还可以应用于光传感器的设计和制备，实现对环境参数的高灵敏度检测。
总之，光子晶体光纤中的纵向渐变折射率研究是一个具有重要意义和广阔应用前景的研究方向。
光子晶体光纤研究意义
光子晶体光纤研究意义The significance of photonic crystal fiber research lies in its potential to revolutionize the field of optics and photonics. Photonic crystal fibers, also known as holey fibers or microstructured optical fibers, possess unique properties that distinguish them from traditional optical fibers. Their intricate internal structures, consisting of air holes arranged in a precise lattice pattern, enable them to exhibit exceptional light-guiding capabilities, dispersion control, and nonlinear optical effects.光子晶体光纤的研究意义在于其有可能彻底改变光学和光子学领域。
光子晶体光纤，也被称为多孔光纤或微结构光纤，具有独特的性质，使其与传统光纤截然不同。
它们内部结构复杂，由精确排列的空气孔构成晶格图案，从而展现出卓越的光引导能力、色散控制以及非线性光学效应。
By exploring the properties and applications of photonic crystal fibers, researchers can develop novel optical devices and systems with enhanced performance and functionality. For instance, these fibers can be tailored to exhibit specific dispersion profiles, enabling precise control of light propagation and manipulation of optical signals. This capability has the potential to revolutionize fields such as telecommunications, sensing, and imaging.通过探索光子晶体光纤的性质和应用，研究人员可以开发出性能更佳、功能更强大的新型光学器件和系统。
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
光子晶体的分类
PCF导光机制分为两种，一种光子带隙光纤（FBG-PCF）， 另外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。
FBG-PCF的导光原理
它是通过布拉格衍射来限制光在纤芯中传播 要求包层空气孔比较大，而且要求空气孔排列精密，规则 的六角形晶格结构才存在有效的二维光子带隙，由于光只 能在缺陷中传播，可以实现在几乎无损耗的纤芯中传播。
高双折射特征
灵活的色散可调特征 易于实现多芯传输
以上特征都可以通过调节PCF的结构来实现和改变
光子晶体光纤的应用
PCF的高非线性效应和高度可调的色散特征，成为超连续光谱产生的理 论依据，这种特性可应用于光学频率测量、建立光学原子钟、生物医 学成像、多光子光谱显微镜领域等
基于PCF的大模场面积、单模宽带传输等特点，发展了光子晶体光纤激 光器
光子晶体光纤
photonic crystal fiber
光子晶体光纤的概念
光子晶体光纤又称多孔光纤，微结构光纤， 最早由Russe11等人在1992年提出的。
它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。包 层由规则分布的空气孔排列成六角形的微结构组 成，纤芯由石英或空气孔构成线缺陷，利用其局 域光的能力，将光限制在纤芯中传播。
预制棒的制作工艺的方法：毛பைடு நூலகம்管组合方法，（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
光子晶体光纤的制作
预制棒的制作工艺:溶胶-凝聚法—将溶胶浇注成设计成的结构使其凝 胶，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—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 形成的空气孔，这种方法形成的预制棒能拉出结构更完美、更符合要 求的光子晶体光纤。
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光子晶体光纤
在光子晶体的研究基础上，ST．J．Russell等人于 1992年最早提出光子晶体光纤的概念，第1个PCF样品于 1996年被研制出。
按结构和导光机制可将 PCF 分为三种类型：一种是改进的全内反射TIR ．PCF，由某一单质材料构成 (如无掺杂纯二氧化硅 )，它的传光通道是介质，传光特性类似于常规光纤，主要是由内部全反射引起；一种是光子禁带光子晶体光纤 PBG．PCF，即在周期性排列的介质中存在缺陷，利用 PBG效应导光；另一种全向导波 OG (Omni guide)或同轴波导 CWG (Coaxial waveguide)．PCF，在光纤的横截面内沿径向存在一维周期性结构是 Bragg光纤的推广。
前两种在横截面内存在二维周期性结构，属于二维光子晶体，第三种属于一维光子晶体。
PCF是一种新型光纤，具有常规光纤不具备的优点：无休止单模性 (Endlessly single．mode)嘲、低损耗特性、特殊的色散和非线性特性以及微结构的可设计性，在通信领域具有广泛的应用前景。
1 PCF的结构、导光机制和特性
1．1 TIR-PCF
包层的空气孔呈六角形周期性的紧密分布，中问空气孔缺失而形成正中问的实心芯层。
包压有效折射率为空气孔和介质 (石英)的折射率权平均，使芯层和外围的周期性区域出现有效率差，纤芯的折射率大于包层的折射率，其导理与传统的阶跃光纤类似，为改进的全内反射导光机制。
由于包层的周期性分布使其与传统的光纤在性能上有很大不同，而且由于引入空气孔可以得到在传统石英光纤中所无法实现的大折射率差，传统光纤通过掺杂截面内折射率变化至多为1％-2％，而TIR—PCF 中的折射率变化最大可达30％-40％。
在理论上，其它类型的空气孔排列也可以达到同样的功能。
传统的单模光纤只在一定的频率范围内支持单模传输，当频率较高时将会出现多模传输，而只要调节空气孔直径和空气孔距之比，PCF就可以设计为在整个频率范围 (包括小于 1 Hm 的短波)支持单模传输，这就是所谓的“无休止单模传输”特性。
此外，改变空气填充率，可以得到各种频率下的色散关系。
当空气孔直径增加时，波导色散值朝着负色散方向增加，在波长=1．55 微米时，可得到 -2000 ps／(nm．km)的巨大的反常色散，它可以很好地补偿在传统光纤中由于材料色散引起的正色散，因此这种光子晶体光纤具有很好的色散补偿能力。
1．2 PBG-PCF
第一个真正利用二维PBG导光的光子晶体光纤的 SEM，报道于 1998年，空气孔分布具有蜂窝状网格结构，在其正中心引入一个作为缺陷的空气孔，光被局限在空气孔芯区附近传输。
空气孔分布还可呈三角形等结构。
由于在完整的二维周期结构中引入了缺陷，会在禁带中产生频率分布极窄的局域态，PCF就可利用这个局域态沿着光纤方向导光。
由于纤芯为空气孔，其折射率小于包层的折射率，因此不是利用传统的全内反射机制来导光，而是利用 PBG效应来导光。
利用二维 PBG效应的 PCF与全内反射机制导光的PCF的区别在于光波被限制在空气中传播，因此在传统光纤石英介质中与材料相关的影响因素大大地减小了，因而具有低损耗、低色散、低非线性效应。
空心光纤的光学特性如包层有效折射率等与波长和孔的排列密切相关，空心光纤在设计上具有很大的灵活性，可通过结构参数的设计获得很好很好的色散特性与单模特性。
1．3 OG-PCF
TIR和 PBG导光的 PCF的传导单模对应于两种偏振态，与传统光纤类似，在与具有偏振依赖关系的器件耦合中存在偏振态旋转的问题。
由Ibanescu．M 在与金属同轴电缆类比中提出了同轴全向光波导光纤。
纤芯为同轴空气柱与直径很小的介质柱，包层为由介电常数相差很大的两种介质同轴周期性交替组成，包层属一维周期性结构，可形成一维光子禁带。
这种结构综合了金属同轴电缆和基于 PBG导光的 PCF的优点是：具有与金属同轴电缆中类似的基模 (TEM 模)，模场分布为径向对称性，不存在偏振态旋转的问题。
若中心介质折射率比包层平均折射率大， OG—PCF同时存在两种导光机制：全反射和光子带隙效应。
若中心介质折射率比包层平均折射率小，或纤芯为空气柱，则其导光机制与 Bragg光纤相同。
OG—PCF结构参数设计、介质材料选取、工作波长确定等都可以在较宽的范围内选择。
上述三类 PCF具有共同特性：通过结构的合理设计，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，这是 PCF最大的一个优势；通过结构参数调节，可加强或抑制非线性效应；具有色散特性。
2 PCF研究现状
目前，对 PCF的理论研究取得了很大进展，能够通过数值计算得出结构参数和传输特性之间的关系。
数值计算模型大多基于光子晶体的计算，常用的方法有：平面波扩展方法、转移矩阵方法、时域有限差分法等。
但上述方法都有近似性和局限性，其结论的精确与可靠性有待实验验证。
针对PCF的特点，又提出了有效折射率模型、全矢量法和标量法等。
一般制造方法是采用玻璃管束在一起而形成预制棒，在温度为 1800℃～2000℃的熔炉中进行拉丝的方法。
典型的尺寸为：玻璃管直径约 1 1Tlln，预制棒直径约20 mm，拉丝后的光纤直径为20～200 um。
拉丝后光纤的截面结构与预制棒的截面结构形状基本相似，光纤中空孔间隔为 1～10 um。
从 1996年研制出如图 1．A所示的第一个 TIR．PCF样品，1998年研制出如图 1．E所示的第一个 PBG．PCF样品，至今已有多家企业生产出PCF产品系列，如世界领先的PCF 产品商业化的公司——丹麦 Crystal Fiber A／S在原有属于 TIR-PCF的“非线性光子晶体光纤”、“大模场区域光子晶体光纤”、“多模光子晶体光纤”三种系列产品的基础上，最近又推出两类新产品系列中一类为 PBG—PCF 系列。
又如BlazePhotonics公司目前拥有四类光子晶体光纤PCF产品，单模 PCF，保偏 PCF，高非线性 PCF，中空 (PBG)PCF；其中在 1550nm处的色散为 3Ops／nm．km，色散斜率为 0．07 ps／nm2．km；而中空 (PBG )PCF 有 HC 一800-01、HC一1060—01 和HC．1550-01三种型号，带宽达 120 nm，损耗0.2dB
／m，且宣布多种光子晶体光纤的价格将最大下调40％，其中单模PCF101 m～1000 m的价格为20$／m，说明了PCF的制作工艺逐渐成熟。
3 应用前景与研究展望
PCF和普通单模光纤相比有许多突出的优点：(1)PCF可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；(2)PCF允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；(3)PCF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岬以下；(4)PBG导光的PCF允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以在光耦合系统中极大地提高耦合效率和弯曲状态下的传光效率；(5)空气通道的 PCF 不受光波与纤芯材料之间的相互作用 (吸收或非线性)的限制，它可以大大地限制光纤的非线性效应带来的影响和降低损耗；(6)如果在空芯中充入特定的气体或一定折射率的液体，它们与传导模式中的光可能有非常强的相互作用，这在气体传感及检测、利用非线性过程产生多种光波长以及进行材料的非线性光学性质研究方面有极为广泛的用途。
因此，利用PCF在光通信中可以进行高功率传输、超宽色散补偿、短波长光孤子传输，发生、实现超短脉冲的激光器和放大器、高功率 PCF激光器、极短拍长的偏振保持光纤、光纤传感器和光开关等。
PCF使单模工作波段向短波长方向扩展，这为密集波分复用系统中增加复用的信道数提供了充足的波长资源。
PCF的潜在应用还包括高灵敏度光谱分析、非线性光学传感、可调谐 PCF、PCF 耦合器等。
PCF一方面具有传统光纤所没有的新特性，但是另一方面，PBG．PCF传输损耗过大却是一个问题。
传输损耗的主要原因是空孔及其表面的杂质所引起的吸收损耗，从而成为实用化的障碍。
从理论分析和实验寻找减小传输损耗的方法，是今后 PCF研究的一大方向。
在理论研究方面，如何用准确的理论模型精确、可靠的分析 PCF的结构参数与特性参量间的关系，从而预测和控制 PCF的特性，并指导实验，是今后理论研究的主要任务。
在样品和产品的研制上，如何借鉴一些成熟技术，如半导体超晶格的生长工艺、传统光纤制造技术等，并开发新的技术，能按需制造各类 PCF，是有待迫切解决的问题。
利用 PCF组成光通信传输系统的研究，将使光子晶体光纤从实验室走向实际工程应用，在这方面还有许多工作要做。