光子晶体光纤及其在光纤陀螺中的应用
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
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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。
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堆积法拉制备光子晶体光纤
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2013年2-4月
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光子晶体发展及种类
光子晶体及光子晶体光纤的研究现状与发展趋势摘要：光子晶体光纤（PCF）由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。
本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。
关键词：光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤激光器1、前言光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，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[1]。
在光纤激光器这一领域内，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着改善。
近年来，国内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[2]。
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的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。
2、光子晶体光纤的导光原理按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
2.1折射率导光机理周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，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[3]。
2.2光子能隙导光机理理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。
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》课件
2 光刻技术
利用光刻技术在材料上 制造微细结构，形成光 子晶体的周期性结构。
3 多晶体堆叠
将多个具有不同周期性 的光子晶体堆叠在一起， 实现更复杂的光子晶体 结构。
光子晶体在光学器件中的应用
光学滤波器
利用光子晶体的能隙特性，制作用于波长选择性滤波的光学器件。
光学波导
将光子晶体结构引导和限制光束的传播路径，实现高效率的光学波导器件。
总结和展望
光子晶体作为一种具有周期性电介质结构的材料，具有广泛的应用前景。未 来，随着技术的进步和研究的深入，光子晶体将在光学领域发挥更重要的作 用。
光子带隙
光子晶体中的周期性结构导致 能隙的出现，使得特定波长的 光波无法传播，从而实现对光 的波长过滤和光学调制。
光束限制
光子晶体可以通过调整结构和 原材料的属性，使光束在特定 方向和模式下被限制和引导， 实现光的高度定向传输。
光子晶体的应用领域
1
光子芯片
2
光子晶体可用于制造微型光子芯片，
实现集成光学元件和光电子器件，为
电子芯片提供高速和低能耗的替代方
3
案。
光通信
光子晶体可用于制造光纤耦合器、波 分复用器、光开关等器件，提高光通 信的带宽和传输速率。
光传感器
光子晶体可用于制造高灵敏度光传感 器，用于环境监测、光学成像和生物 医学应用。
光子晶体的制备方法
1 自组装
通过控制材料的自组装 过程，制备具有周期性 结构的光子晶体。
激光器
通过在光子晶体材料中引入激光介质，制造高质量和高效率的激光器。
光子晶体的未来发展趋势
1
Hale Waihona Puke 超材料结合结合光子晶体与其他类似光学材料如金属和二维材料，构筑功能更强大的光学器 件。
光子晶体简介及应用
光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。
近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。
的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。
光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。
推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。
半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。
但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。
人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。
与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。
光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。
电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。
光纤陀螺原理
光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种基于光学原理的惯性测量装置，用于测量和感知角速度。
它利用光线在光纤中的传输特性来实现精确的陀螺效应。
在光纤陀螺中，光信号被一个光源产生，并由光纤传输到光接收器。
光信号在光纤中以一定的速度传输，当光纤被转动时，光信号的传播路径会发生变化。
这个变化会引起传输速度的微小改变，进而产生一个相位差。
通过测量这个相位差，可以得到光纤陀螺所受到的转动角速度。
具体而言，光纤陀螺通过分析光信号的相位差，并利用相关的计算算法，将相位差转换为角速度的测量结果。
在光纤陀螺中，有两种光纤的布局方式，分别是光纤环路和光纤两芯。
光纤环路是将光纤以一个环状的方式布置在装置中，用来增强相位差的检测。
光纤两芯则是采用两根光纤互相配对，通过相对传输速度的差异来测量角速度的变化。
光纤陀螺作为高精度的角速度测量装置，广泛应用于惯性导航、航空航天、汽车导航、地震监测等领域。
它具有响应速度快、精度高、抗干扰性强等特点，并且不需要接触物体，可以在复杂环境下进行准确的测量。
光纤陀螺原理
光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种利用光纤作为传感器的陀螺仪，它利用光的干涉原理来测量角
速度，是一种高精度、高灵敏度的惯性导航仪器。
其原理基于光纤在旋转时会受到Sagnac效应的影响，从而实现了角速度的测量。
光纤陀螺的工作原理主要包括光路、干涉和信号处理三个方面。
首先，光纤陀
螺的光路是由光源、分束器、光纤环、合束器和探测器组成的。
光源发出的光经过分束器分为两路，一路顺时针流过光纤环，另一路逆时针流过光纤环，然后再通过合束器汇聚到探测器上。
当光纤环处于静止状态时，两路光程相等，合束器上的光信号干涉消光。
而当光纤环发生旋转时，由于Sagnac效应的存在，两路光程会产
生微小的差异，导致合束器上的光信号发生干涉，从而产生干涉信号。
其次，干涉信号的处理是光纤陀螺中至关重要的一环。
探测器接收到干涉信号后，会将其转换为电信号，并经过放大、滤波、数字化等处理，最终输出为角速度信号。
这些信号经过一系列的计算和处理后，可以准确地反映出光纤陀螺所受到的旋转角速度。
最后，光纤陀螺的原理还涉及到光的干涉现象。
当两路光程差为波长的整数倍时，两路光信号将完全相消，形成干涉消光；而当光程差为波长的奇数倍时，两路光信号将完全相长，形成干涉增光。
通过探测器对干涉信号的检测，可以准确地测量出光纤陀螺所受到的角速度。
总的来说，光纤陀螺利用了光的干涉原理，通过测量光纤环中光路的微小差异，实现了对角速度的高精度测量。
其原理简单而又精密，使得光纤陀螺在导航、航天、地震监测等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，相信光纤陀螺在未来会有更加广阔的发展空间。