光子晶体光纤的原理及应用ppt
光纤制备原理和应用PPT课件
外部气相沉积法（OVD）； 气相轴向沉积法（VAD）；
等离子体化学气相沉积法（PCVD）；
改进化学气相沉积法（MCVD）。
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VAD法：日本1977年开发出来的，其工 作原理与OVD相同，不同之处在于它不 是在母棒的外表面沉积，而是在其端部 （轴向）沉积。VAD的重要特点是可以 连续生产，适合制造大型预制棒，从而 可以拉制较长的连续光纤。
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光纤预制棒制备工艺
MCVD法：采用的SiCl4、 GeCl4等液态原材料在高温下
维．具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功能．也具有传感功能。一般通 信用光纤的横截面的结构如图2所示。光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高 透明固体材料(如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包 层．用折射率相对纤芯较低的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成,外面一般还有起
保护作用的涂覆层。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。
工 业 光 纤 内 窥 镜
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谢谢
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光纤的来源 光纤的发展历史
石英光纤的损耗进展:
1966, 高锟 1000 dB/km 1970, 康宁公司 →20 dB/km
1972, 康宁公司 → 7dB/km
1973, 贝尔实验室 →2.5dB/km
1976, 日本 →0.5dB/km@1.55µm
1979,
→0.2dB/km@1.55µm
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光纤的应用
光子晶体简介
第六组
一、光子晶体简介 二、光子晶体中的量子理论 三、光子晶体的发展历程 四、光子晶体的应用 五、光子晶体的发展前景
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
摩尔定律 ：自从1970年以来;可以被放置 到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一 番的速度增长;这保证了计算机运算速度 在同时期随之翻番;价格减半&
二 光子晶体中自发辐射简介
当原子处于激发态时;如果不受外界影响;它们会自发 地回到基态; 从而放出光子;我们把这样一过程称为自发 辐射过程. 自发辐射过程并不是物质的固有性质;而是物 质与场相互作用的结果;也就是说它本质上是电磁振荡为 零时的受激辐射;即所谓的电磁真空. John 等人研究发现 在光子晶体中;由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止 而形成光的局域态;原子自发辐射所发出的光子就会被限 制在原子周围;而不是以光速传播;原子与辐射场之间仍 存在能量交换;这样;辐射场对原子进行修饰而形成光 子—原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发 辐射具有不同于真空中指数衰减的性质;因此;对光子晶 体原子自发辐射性质的研究;为研制新型的低噪音;高相 性的激发;寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义.
光子晶体的特性
1 光子带隙
在一定频率范围内的光子在 光子晶体内的某些方向上是 严格禁止传播的
晶格类型; 光子材料的介电常数配比; 高介电常数材料的填充比&
2 光子局域
在光子晶体中引入杂质和缺陷时 ，与缺陷态频率符合的光子会被 局限在缺陷位置，而不能向空间 传播。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
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&
光纤的基本知识及应用PPT(最新版)
B、光纤检测：
光纤检测的主要目的是保证系统连接的质量，减少故障 因素以及故障时找出光纤的故障点。检测方法很多，主要 分为人工简易测量和精密仪器测量。
a.人工简易测量：
这种方法一般用于快速检测光纤的通断和施工时用来分 辨所做的光纤。它是用一个简易光源从光纤的一端打入可 见光，从另一端观察哪一根发光来实现。这种方法虽然简 便，但它不能定量测量光纤的衰减和光纤的断点。
6.光纤的应用
人类社会现在已发展到了信息社会，声音、图 象和数据等信息的交流量非常大。以前的通讯手 段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其信 息容量大、保密性好、重量轻体积小、无中继段 距离长等优点得到广泛应用。其应用领域遍及通 讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算 机等行业，并正在向更广更深的层次发展。
FC
SC
SC-LC SC-SLCC LC
SC-SC
SC
SC
SC-ST
SC
ST
ST-ST
ST
ST
ST-LC
LC
ST
ST-SC
二、光缆的结构特点、种类 及型号的命名方法
一、光缆结构的特点
光缆的结构与电缆大致相同，但由于 光纤材料的性质和传光特性，所以其结构 与电缆又有不同之处。其特点如下：
膏时，防水效果较好，但连接时防水软膏 （2）它可以用一次涂覆光纤直接放置于骨架槽内，省去二次涂覆过程。
5/125μm，美国标准
的清除比较困难。采用防水带（粉）时， 31μm波长处的衰减值将增大。
活动连接是利用各种光纤连接器件（插头和插座），将站点与站点或站点与光缆连接 起来的一种方法。 因此，在不久的将来实现全球无中继的光纤通信是完全可能的。
1.光纤理论与光纤结构
光子晶体光纤 空心光纤
光子晶体光纤空心光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤传输介质，其内部的光子晶体结构能够有效地控制光的传输和传播，提供了更高的传输速率和更低的传输损耗。
空心光纤是另一种特殊的光纤结构，与传统的实心光纤相比，其内部存在空气或真空的空腔，使光能够在空腔内传输，从而减少了光的传播损耗。
光子晶体光纤和空心光纤都具有独特的优势和应用领域。
光子晶体光纤的光子晶体结构可以通过改变晶格常数或填充材料来调控光的传输特性，从而实现对光的波长、偏振和模式等参数的控制。
这使得光子晶体光纤在光通信、光传感和光波导等领域具有广阔的应用前景。
空心光纤的空腔结构使得光能够在空气或真空中传输，减少了光与固体材料之间的相互作用，从而大大降低了传输损耗。
此外，空气或真空的介质使得光在空腔中的传播速度更快，进一步提高了传输效率。
因此，空心光纤在高功率激光传输、光纤传感和气体检测等领域有着广泛的应用。
光子晶体光纤和空心光纤的结合将会进一步扩展光纤传输的应用领域。
通过在空心光纤内部填充光子晶体结构，可以实现对光的更精细的控制和调控。
这种结合将使光纤传输在光通信、光传感和激光
加工等领域发挥更大的作用。
光子晶体光纤和空心光纤作为两种新型的光纤传输介质，分别具有独特的优势和应用领域。
它们的结合将会进一步推动光纤技术的发展，为光通信、光传感和光波导等领域提供更加高效和可靠的解决方案。
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。
光纤及其应用课件
03
光纤可以用于军事导航定位系统中，提供高精度、高稳定性的
导航定位信号，确保军事行动的准确性和可靠性。
感谢观看
THANKS
置和大小。
核能监控
光纤可以用于核能设施的监控系 统中，实时监测辐射剂量和温度 等参数，确保核设施的安全运行
。
光纤在航空航天领域的应用
卫星通信
光纤可以用于卫星通信中，提供高速、大容量的数据传输服务， 广泛应用于全球通信和广播领域。
飞机导航
光纤可以用于飞机导航系统中，传输高精度、高稳定性的导航信号 ，提高飞行的安全性和准确性。
空间探测
光纤可以用于空间探测器中，传输探测数据和指令，为科学研究提 供重要的信息。
光纤在军事领域的应用
激光武器
01
光纤可以用于激光武器中，传输高能激光束，对敌方目标进行
精确打击和摧毁。
通信保密
02
光纤可以用于军事通信中，提供高速、大容量、高保密性的数
据传输服务，确保军事信息的保密性和安全性。
导航定位
光纤医疗设备
如光纤呼吸机、光纤血压 计等，利用光纤技术提高 设备的准确性和可靠性， 保障患者的治疗效果。
06
光纤在其他领域的应用
光纤在能源领域的应用
太阳能光伏发电
光纤可以用于太阳能光伏发电系 统中，将太阳光传输到光电转换
器上，提高光电转换效率。
石油和天然气勘探
光纤可以用于石油和天然气勘探 中，通过测量地震波、温度和压 力等参数，帮助确定油气藏的位
光纤传感器的应用拓展
拓展光纤传感器的应用领域，满足更多行业 的测量需求。
05
光纤在医疗领域的应用
光纤在医疗诊断中的应用
光纤光谱仪
光子晶体与光子晶体光纤23页PPT
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
光子晶体与光子晶体光纤
11、用道德的范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
光子晶体光纤概述
光子晶体光纤概述光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种基于光子晶体的特殊光纤，其内部结构通过周期性排列的微结构孔道以控制和引导光信号的传播。
相比于传统的光纤，光子晶体光纤具有许多优异的特点和应用前景。
本文将对光子晶体光纤的概述进行详细介绍。
首先，光子晶体光纤的设计和制备基于光子晶体的结构和性质。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的人工材料，类似于原子晶体中的周期性晶格。
光子晶体具有禁带结构，使得特定波长的光在其中无法传播，从而实现对光信号的控制。
光子晶体光纤则是利用光子晶体的这种特性进行光信号的传输和处理。
在光子晶体光纤中，光信号通过微结构孔道进行传输。
这些孔道可以是气体孔道、空气孔道或者填充了特定介质的孔道，根据不同的应用需求进行设计。
利用光子晶体的禁带结构特性，光子晶体光纤可以实现多种传输方式，如单模传输、多模传输、混合模传输和超模传输等，以及特定波长的滤波和调制功能。
光子晶体光纤相比传统光纤具有许多优势。
首先，光子晶体光纤具有更低的色散特性，能够实现更宽的光带宽和更高的传输速率。
其次，光子晶体光纤具有更高的非线性效应，可用于光学信号处理和光学器件制备。
此外，光子晶体光纤还具有更大的模场面积，可以实现更高的光功率传输和更低的光损耗。
光子晶体光纤在通信、光子学和生物医学等领域拥有广泛的应用前景。
在通信领域，光子晶体光纤可以用于高速宽带传输、红外光通信和光信号调制等应用。
在光子学领域，光子晶体光纤可以用于激光增强、光谱分析和光学传感等应用。
在生物医学领域，光子晶体光纤可以用于激光手术、光学成像和生物传感等应用。
然而，光子晶体光纤的制备和应用仍然面临许多挑战。
目前，光子晶体光纤的制备技术相对复杂，需要高精度的光学和材料工艺。
此外，光子晶体光纤的设计和理论研究也仍处于初级阶段，需要进一步探索和发展。
总之，光子晶体光纤作为一种新型的光纤材料，具有许多独特的特点和应用前景。
光子晶体光纤的制备及应用
光子晶体光纤的制备及应用光子晶体光纤是一种具有高光波导控制能力和特殊光学性质的光纤，它的制备手段和微电子加工技术相似，主要包括光子晶体结构设计、材料选择与制备、光纤预制和制备等过程。
光子晶体光纤在光通信、生物医学、传感器等领域有着广泛的应用。
一、光子晶体光纤的制备过程1. 光子晶体结构设计光子晶体结构是光子晶体光纤具有高光波导控制能力的重要保证。
可以选用计算机辅助设计软件和模拟器进行结构优化和仿真。
通过改变光子晶体晶胞中介质的折射率等参数，可以改变光子晶体的光学特性，如色散、带宽等。
可能的光子晶体结构包括一维、二维、三维光子晶体结构等。
2. 材料选择与制备光子晶体材料的选择具有重要意义。
常见的材料有二氧化硅、氧化铌、氧化锆等。
材料制备一般采用溶胶-凝胶法、水热法、溶液旋转涂覆法等方法。
在制备过程中，需要特别注意保证晶体结构的完整性和均匀性。
3. 预制光纤常规的预制光纤一般采用传统的气相化学沉积法、拉制法、熔石英法等制备。
而预制光纤的表面和内部质量对于最后制备的光子晶体光纤的质量和性能有着重要的影响。
4. 光子晶体光纤的制备光子晶体光纤的制备主要分为两步，首先是将预制光纤拉伸到一定长度，然后再通过模板法或空气堵塞法在拉伸的光纤中注入光子晶体颗粒。
两种方法制备的光子晶体光纤形态略有不同，模板法制备的光子晶体光纤表面光子晶体结构呈现出钮扣状，空气堵塞法制备的光子晶体光纤表面结构则为环状。
二、光子晶体光纤的特性和应用1. 光子晶体光纤的特性光子晶体光纤具有多种特殊的光学性质，如能够实现群速度减缓、衍射效应等，并且可以通过改变结构参数实现光学滤波、非线性光学等特殊功能。
由于光子晶体光纤内部的结构类似于光子晶体，因此对于光的波长和方向等具有良好的调制能力。
2. 光子晶体光纤的应用（1）光通信领域光子晶体光纤可以在制备过程中调节材料和结构参数，实现光口的高度定制化。
因此，光子晶体光纤在光通信领域可以用于实现波分复用、沿线灵活引导光波等应用。
保偏光子晶体光纤
保偏光子晶体光纤
保偏光子晶体光纤是一种特殊的光纤，具有保持光信号的偏振性质的能力。
它由光子晶体材料制成，光子晶体是一种周期性结构，具有调制光波传播特性的能力。
保偏光子晶体光纤的关键特性是它的光波导模式会特异地选择特定的偏振方向进行传播，不会出现模式间的混合。
这使得光信号在传输过程中能够保持稳定的偏振状态，不会出现偏振旋转或偏振混合的现象。
保偏光子晶体光纤在光通信、光传感和光学器件等领域有广泛应用。
它可以用于高速通信系统中的光纤传输，能够有效减少光信号的偏振损失，提高传输距离和可靠性。
此外，保偏光子晶体光纤还可以应用于光传感领域，用于测量和监测光信号的偏振状态。
总之，保偏光子晶体光纤具有保持光信号偏振性的能力，广泛应用于光通信、光传感和光学器件等领域，为光学系统的稳定性和可靠性提供了重要支持。
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周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构 的人工设计和制造的晶体，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
前景展望
理论研究方面
建立精确的理论模型，可靠分析PCF结构参数 和特性参量的关系，控制PCF的特性。 改进制造工艺，并开发新的技术，能按需制造 各类PCF。
产品研制方面
寻找新的应用领域
前景展望
现在，PCF的研究正在由学术探讨转入实 验室试验阶段。实验室中的传输实验表 明，PCF极有可能应用于光纤通信中。 随着PCF的导光理论、制造工艺、性能测 量和技术的不断完善，PCF就可能会成为 光纤通信系统中的下一代光信号传输介 质和光器件。
一般认为PCF根据导光机理不同可以分为两类：
空芯PCF：光子带隙导光 (PBG-PCF), 只有当空气孔 相当大的时候，禁带才会出现。采用PBG导光，除了 要求较大的空气孔外，还要求较精确的气孔排列，所 以制作难度比较大。
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光子晶体光纤－分类
实芯PCF：包层有效折射率是石英和空气的体平均， 小于芯区石英材料的折射率，与传统光纤相似，属于 全内反射导光（Total internal reflection，TIR）。 这种导光机制不倚赖于周期性 PBG结构，实现起来相对简单。 如果空气孔较大，并且选择合适 的晶体结构，PBG导光和TIR导 光可以共存于PCF中。
增强光与物质相互作用，光传感
商业化
国际：PCF产品商业化公司----丹麦Crystal Fiber A/S 公司 国内：武汉邮电科学研究院 燕山大学 问题： 价格昂贵！
前景展望
PCF的应用或潜在应用 光波长转换，拉曼放大器，光孤子激光器，高功 率PCF激光器，超宽色散补偿，高功率传输，极短 拍长保偏光纤，光纤传感和光开关等。 限制应用的因素 ★ 制造工艺 ★ 与传统光纤的耦合 熔接耦合 透镜耦合
强非线性效应
减小光纤模场面积可以获得强非线性。 ★ 超连续光谱的产生 在很宽的波长范围内提供超短光脉冲，可以应用于光 纤群速度测量、全光采样、全光转换、光波分复用 (OWDM)和光时分复用(OTDM)。 ★ 光孤子效应 ★ 频率变换效应 四波混频产生的斯托克斯和反斯托克斯分量在光致变 色效应、拉曼光谱学等领域有着潜在的应用。
特性及应用－TIR-PCF
大功率激光器
大模面积 非线性效应弱
高功率双包层PCF激光器： 输出波长为1070nm 输出功率80W 斜率效率78% 目前最大输出功率已经达到260W。 外芯：收集泵谱光
内芯：掺Yb3＋，截 面呈三角形，芯径大 约28um，模场面积大 约350um2
特性及应用－TIR-PCF
计算方法
有效折射率模型 平面波展开法 时域有限差分 频域有限差分 多极法 传输矩阵法 束传输方法 有限元法 ……
制备
典型PCF的制作工艺可以分为两个过程:
1. 制作PCF预制棒 堆拉法 溶胶挤压法
2. 预制棒拉丝
在PCF的拉制过程中，改变拉制 温度和速度就可以调整PCF的结 构和性能。
特性及应用
宽带单模特性
V<2.405时单模传输。
该性质与光纤的绝对尺寸无 关，通过改变空气孔间距可 以调节模场面积。
Endlessly single-mode
[ T. A. Birks et al., Opt. Lett. 22, 961 (1997) ]
应用：
高非线性：拉曼放大器等 低非线性：高功率传输
应用：
★ 短波长光孤子传输 ★ 色散平坦光纤（数百nm 带宽范围接近零色散 ） ★ 色散补偿光纤，色散值可达－2000ps/nm· km， 这预示着PCF在未来超宽WDM的平坦色散补偿中可能 扮演重要角色。
特性及应用－PBG-PCF
光传输
★ 空心导光 低的传输损耗 低非线性 大的功率承受能力 ★ 存在的问题 目前损耗1.72dB/km，可以降至0.05dB/km；但 是由于制造工艺的限制，作为传输光纤成本太高。
光子晶体光纤－结构
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF) 微结构光纤 (Microstructured Optical Fiber, MOF) 多孔光纤 (Holey Fiber) 在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔， 从光纤端面来看存在二维周期结构。
导光原理： 左图所示的六边形晶体结构存在完全二维 禁带，在该结构中引入缺陷，在禁带中产 生缺陷态，PCF利用这个缺陷态导光。