光子晶体光纤传感

优良的双高折射效应
• 保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保 持传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏 PCF剖面圆的对称性，使其构成二维结构就可
以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或
者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊 猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保 偏光纤。
下面介绍几种光子晶 体光纤的参数特性。
光子晶体光纤
11300720139 王巍
光子晶体
光子晶体是指具有光子带隙 （PhotonicBand-Gap,简称为PBG） 特性的一维或多维的人造周期性电介 质结构，有时也称为PBG光子晶体结 构。所谓的光子带隙是指某一频率范 围的波不能在此周期性结构中传播， 即这种结构本身存在“禁带”。产生的 本质原因是在该晶体中光的折射率指 数的周期性变化。
大数值孔径多模光子晶体光纤
大数值孔径多模光子晶体光纤中的光是在由同心环的 硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。由于实心纤 芯和包层的大折射率差，使得该光纤数值孔径比全硅 多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白炽灯或弧光
灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。这
种光纤在633nm处数值孔径可达0.6，主要应用于白炽 灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光 传感器中[9]。
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空心光子晶体光纤
• 空心光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的 硅材料空气孔围成的空心中传输。因为只有很少一
部分光在硅材料中传输，所以相对于常规光纤来说，
材料的非线性效应明显降低，损耗也大为减少。据 预测，空心光子晶体光纤最有可能成为下一代超低 损耗传输光纤，在不久的将来，空心光子晶体光纤 将广泛应用于光传输，脉冲整形和压缩，传感光学
光子光纤偏振干涉仪
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基于光子晶体光纤的布拉格光栅传感器
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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，且弯曲损耗小。
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传导机制
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光子晶体光纤其中一种制作工艺简图
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Байду номын сангаас
不同的色度色散
• 真空中材料色散为0，空气中的材料色散也非常小， 空气芯PCF 的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活， 只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导 色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状 态，如零色散波长可移到短波长，从而在1300nm实 现光弧子传输；具有优良性质的色散平坦光纤（数 百nm带宽范围接近零色散）；各种非线性器件以及 色散补偿光纤（可达2000ps/nm· km）应运而生
极好的非线性效应
• G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积 上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一 个现象。而在光子能隙导光PCF中，可以通过增加 PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低 单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性 效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大有 效面积PCF奠定了技术基础。
传输，短波长光传输，传感器和干涉仪。
•
保偏光子晶体光纤
• 保偏光纤双折射现象由纤芯附近差异热扩张的合成 材料形成，当光纤在拉制降温过程中差异热扩张产 生压力。相反保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤 芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象，
从而得到更小的拍长，减小偏振态和保偏消光比之
间的耦合曲率[7]。例如Blaze photonics的保偏光子 晶体光纤还有比传统保偏光纤低得多的温度敏感性， 其拍长可小于4mm（1550nm波长），损耗小于 1.5dB/km。主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪。 •
率允许芯层有更高的折射率。
• P.S.: 该晶体实际上完全不依赖于光子带隙 （ PBG ）效应。
第二种光子晶体光纤
• 第二种是与TIR-PCFs截然不同的另一种：光子 带隙型光子晶体光纤（PBG-PCFs） ，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。 • 特点：PBG-PCFs表现出可观的性能，其中最重
光子晶体光纤（CPFs）
光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛 关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含 有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长 大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被
限制在光纤芯区传播。
光子晶体光纤（CPFs）
通常由纯石英或聚合物等材料为基底，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。
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光子晶体简介（光学上的半导体）
• 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上 看，光子晶体是一类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。与半导体 晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材 料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁 波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格 散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构 。 能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具 能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。 光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有 许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制 造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目 的。 • P.S.：原理证明涉及Maxwell equation和Sch rdinger equation.
适合于采用掺钛蓝宝石激光或Nb3+泵浦激光光源的超
连续光发生器。Blaze photonics的光子晶体光纤非线 性效应可达245W-1km-1，可用于频率度量学、光谱学 或光学相干摄影学中超连续光发生器。 •
宽带单模光子晶体光纤
常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多 模光纤，而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单 模光纤。这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔 结构构成。Blaze photonics的宽带单模光子晶体光纤 的损耗低于0.8dB/km，主要用于空间单模场宽带辐射
和非线性光学中。目前，已开发出多种商用空心光
子带隙光纤，波长覆盖440nm~2000nm。
高非线性光子晶体光纤
高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列 的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择 相应的纤芯直径，零色散波长可以选定在可见光和近 红外波长范围（670nm~880nm），使得这些光纤特别
介绍几种光子晶体光纤传感器
光子晶体光纤Sagnac环传感器（可测应变、压强等）
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双模光子晶体光纤传感器
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动态压力光子晶体光纤传感器
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PCF高压力传感器
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光子晶体光纤的主要特性
• • • • • • • 1.无截止单模 2.灵活的色度色散 3.良好的非线性效应 4.优良的双高折射效应 5.较高的入射功率 6.光子晶体光纤的非线性现象 7.易于实现多芯传输
无截止单模
• 普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。 对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可 在从蓝光到2μm 的光波下单模传输，不存在截止波 长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光 纤绝对尺寸无关，因此通过改变空气孔间距可调节 模场面积，在1550nm可达1～800μm2，已制成了 680 μm2的大模场PCF，大约为常规光纤的10倍[10]。 小模场有利于非线性产生，大模场可防止发生非线 性，这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。 这种光纤具有很多潜在应用，如激光器和放大器 （利用高非线性光纤），低非线性通信用光纤，高 光功率传输等。
几种光子晶体光纤的微观图像
第一种光子晶体光纤
• 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。即内部全 反射光子晶体光纤（TIR-PCFs）。 • 特点：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
超连续光谱发生器的光子晶体光纤
超连续光子晶体光纤是特别设计用来把一种新的Q 变换Nb3+微芯片激光器变成一种结构紧密，低成本， 谱宽覆盖550nm~1600nm范围，平坦度好于5dB的超 亮光超连续光源。由于有较好的色散系数，20m长的
这种光纤就可以实现与脉冲为1ns，重复率为6k，与
1064nm平均功率为几十毫瓦激光器具有几乎相同的变 换效率。超连续光源主要应用于光子学设备的测试、 低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中[8]。 •
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光子晶体特点
自然界中的光子晶体
1.具有光子禁带，落在禁带中的光不能传播 • 2.可以抑制自发辐射，也可以增强自发辐射（可 以通过掺杂实现）。 • 3.“光子局域”：在一种精心设计的无序介电材 料组成的超晶体中，光子呈现很强的Anderson局 域。即，在光子晶体中，如果原有的周期性货对 称性受到破坏，那么就很有可能出现频率极窄的 缺陷带，与之频率温和的光子会被局限在出现缺 陷的位置，一旦偏离缺陷位置光将迅速衰减。