光子晶体光纤教学文稿
光子晶体光纤
光子晶体光纤摘要光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构, 落在光子带隙中的光不能传播。
由于其独特的调节光子传播状态的功能, 成为实现光通讯和光子计算机的基础。
光子晶体光纤（POF）与普通光纤在光纤结构单模特性色散特性和非线性特性等方面有着显著的差别。
光子晶体的制备是发展光子晶体的关键, 而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。
本文阐述了光子晶体的概念及其特性并简要分析了PCF的原理及其重要特性应用价值。
关键词：光子晶体；光纤；光子晶体光纤（PCF）；非线性Photonic crystal fiberA bstract Photonic crystals are materials with regular periodicity of dielectric structures, which can create a range of forbidden frequencies called photonic bandgap. Photons with energies lying in the bandgap cannot propagate through the medium. Moreover, photonic crystals have the ability to m an ipulate, confine and control light, thus provide the opportunities to shape and mould the flow o f light for photonic communication technology and photonic computer. In present, the preparation of photonic crystals, especially those in visible or near infrared region, is the key to the development of photonic crystals. In this paper, the conception and characteristics of photonic crystal are described at first, and then the research in experiment and application are introduced respectively.Keyword：photonic crystal；optical fiber；photonic crystal fiber （PCF）; nonlinerital光学晶体的基本原理：1、什么是光学晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。
光子晶体光纤原理及应用
5. 对光路的弯曲程度要求较小
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。
传感探头的结构：
实验所用的PFC为改进的全内反射光子晶体光纤，在实芯的外面有四层周 期排列的六角形空气孔。选取PFC上的一段，将它的内部的空气孔压扁，然后 在PFC端面上熔接20nm长的无芯光纤（CSF），CSF的另一端用铂金做成 200nm厚度的反射镜。
实验原理：
宽带光源发出的光通过3db耦合器进入待测光纤，在空气孔被压扁的位置 一部分模式沿着纤芯向前传播，然后通过反射镜的反射又返回到该位置，另 一部分模式耦合进入包层然后再通过反射镜的反射也返回到该位置，因为纤 芯模和包层模的传播常数不同，在此发生干涉。 由于包层模和外界溶液折射率有关，所以我们通过光谱仪对干涉形成的 信号进行分析可得到被测溶液的折射率大小。
温度测量：将传感探头放入待 测溶液，通过改变溶液的温度
260 C~1000 C 我们发现，温度变 化非常小，充分降低了温度对 折射率测量的影响。
实验的两个关键条件：
（1）被压扁的PFC的长度
它直接决定了光在这个位置进入包层模的耦合率。过长容易形成多个包层模式。 本实验要求形成一个包成膜，我们可以通过控制电弧释放的功率和持续时间来控制以 达到这个目的。
（2）PFC的切割角
它直接决定了包层中高阶模的多少。多高阶模就会产生很复杂的干涉效果。
实际测量( 实际测量(一)
光子晶体毕业论文
引言光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，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。
独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。
在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。
以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。
近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。
目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。
本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章光子晶体光纤概述§1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。
因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。
光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。
科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。
1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。
(完整word版)(整理)光子晶体讲稿
光子晶体一、发展背景及历史1.1 微电子的危机今天，人类进入了信息时代，电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业，从日常生活的电视，电话等家庭用品到工作中的电子计算机，传感器以及各种电子测试设备，无处不渗透着半导体技术的影响，可以说半导体技术正日益成为我们工作和生活中不可缺少的组成部分。
微电子技术是电子信息产业的核心技术之一（另一个是软件技术），是在半导体材料上采用微米级线度加工处理的技术。
现在电子信息技术，尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力。
来自于半导体元器件的技术突破，每一代更高性能的集成电路的问世，都会驱动各个信息技术向前跃进。
我们今天处在一个真正的技术革命时代，而微电子技术的突飞猛进是这个革命最基础的组成部分。
微电子技术所遵循的摩尔定律指出：芯片集成度每18-24个月增长一倍，价格不变。
目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。
12英寸硅片0.13微米应经批量生产。
当前，半导体技术正向着高速度，高集成化方向发展。
据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片0.035微米线宽。
当集成电路线宽达到0.1微米以下时，标志着半导体制造技术及器件、工艺理论随之全面进入纳米领域。
硅基芯片的微细加工技术将可能达到极限。
届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都将遇到极大的挑战：（1）首先是芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加从而使芯片无法正常工作；（2）其次是现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，因而通过减小线宽的方法来提高心片的工作效率和性能遇到了很大的困难；（3）最后也是最难克服的一点，随着芯片内部结构的减小，其量子效应会非常明显，电子在芯片内部的波动效应就不可以忽略，而电子的波动所造成的量子隧穿效应直接威胁着用“1”和“0”表示“开”和“关”状态的芯片最基本的结构。
导致这一结果的原因在于半导体器件的工作载体是电子，由于电子是一种费米子，具有静止质量，同时，电子之间具有库仑相互作用，当集成度很高时，产生热效应，相互干扰，这即是“电子瓶颈”效应产生的原因。
光子晶体光纤
光子晶体光纤110611106 周鹏摘要：本文主要介绍光子晶体光纤的分类及其导光机理，光子晶体光纤的材料和制作工艺，重点阐述了光子晶体光纤的特性和应用，并对它的前景进行展望。
关键词：光子晶体光纤导光机理制作工艺特性应用Abstract：This article describes the classification and light guiding mechanism materials and production processes of photonic crystal fibers, focusing on the features and applications of photonic crystal fibers and looking ahead its prospects.Key words: photonic crystal fiber producting process light guide mechanism feature application前言光子晶体光纤，简称PCF，具有光子晶体和光纤传输光波的双重特性，相对传统光纤而言，光子晶体光纤开创了完全不同的光波传输原理和传输特性，成为一类新型的光导纤维，开辟了一个新的应用领域，光子晶体光纤应经成为当今光纤领域的研究前沿和热点。
一．光子晶体光纤的分类及其导光机理光子晶体光纤的分类有很多种方法，根据导光机理，可将光子晶体光纤分为两类：折射率导光和光子带隙导光。
1.折射率导光型光子晶体光纤折射率导光型光子晶体光纤和普通光纤的结构相似，纤芯均为实心的石英。
差别是光纤的包层；普通光纤的包层是实心材料，其折射率稍低于纤芯；而折射率导光型的包层则是具有一定周期排列的多孔结构，如图1所示。
这类光纤包层的空气孔也可不是周期性排列，这类光纤也称多孔光纤。
这种结构的导光机理和常规的阶跃折射率光纤类似，即基于全反射原理，由于包层中的空气孔，降低了包层的有效折射率，使得纤芯折射率大于包层折射率，从而满足全反射条件，光波被束缚在芯区内传输。
光子晶体光纤特性及应用
光子晶体光纤特性及应用【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。
【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙1 概述光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。
频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。
这就是光子晶体概念的来源。
光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。
如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。
缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。
光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。
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。
2 光子晶体光纤的结构根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。
2.1全反射型光子晶体光纤的结构。
全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。
2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。
这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。
如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。
光子晶体光纤
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。
光子晶体技术_一_光子晶体光纤
收稿日期:2003-02-02. 前沿技术光子晶体技术———(一)光子晶体光纤廖先炳(重庆光电技术研究所,重庆400060)摘 要: 简介光子晶体的概念和光子晶体光纤的导光原理。
讨论了光子晶体光纤的奇异特性并介绍它的制作方法。
关键词: 电子禁带晶体;光子禁带晶体;光子晶体光纤中图分类号:TN252 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2003)02-0135-041 引言大家熟知的微电子学及其应用,是建立在对电流精确控制的基础上,而这种控制是依赖于半导体材料(例如硅和Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体)的电子禁带现象。
电子禁带是一个能量带,它能有效地阻止电子通过半导体。
凡是处于电子禁带以下的电子都不能游动,因而不能形成电流。
然而,一旦少量的多余电子获得足够的能量而跃到电子禁带之上,这些电子便可在广阔的能量空间遨游。
同样地,电子的缺失可以在禁带以下形成带正电的“空穴”。
电子和空穴的运动都可即刻形成电流。
我们把具有这样现象的半导体材料称之为电子禁带晶体。
半导体的开关和逻辑功能就是来源于电子禁带以上的电子和禁带以下的电子和空穴增益性的控制。
电子禁带晶体的周期性结构的尺度为电子的德布罗意波长的量级(约1～50nm )。
而电子禁带的存在和性质主要取决于禁带晶体的原子类型和晶体结构,即晶格的间距和形状。
人们经过数十年的研究和探索,终于在1987年提出了光子禁带(或称光子带隙)的概念[1]。
光子禁带是直接类比于电子禁带的结果,它是指通过人工设计并制作出类比于电子禁带结构的材料来阻止光子的传播,即是说,这种类比于电子禁带结构的人工合成材料在某一能量范围内的光子不能通过光子禁带晶体(简称光子晶体)或者在光子晶体内部产生的光不能传播。
具体地说,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,其大小为波长的量级。
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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）
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。
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：
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。
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
与光纤结构有 关的限制损耗
红外吸收损耗 杂志吸收损耗
降低光子晶体光纤的损耗措施：
色散特性
C 真空中的光速
波长
光纤中模式传播常数
nkm0自 由材空料间折波射矢率量对波长
的依赖关系
ne
, nm
k0
D Dw Dm
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。
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。
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光子晶体的Biblioteka 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。
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
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
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。
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，
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
光子晶体光纤的数值分析法
不详细介绍
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 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
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
• 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）
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。
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
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。
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将低于n1，由 于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入 射角的条件下，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。
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
• 毛细管组合法
• 溶胶-凝胶法
• 化学腐蚀法
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
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