基于光子晶体光纤F-P腔的高压电器温度传感器系统

第24卷第2期2011年2月

传感技术学报

CH I N ESE JOURNAL OF SE N S ORS AND ACT UATORS

Vo.l 24 No .2

Feb .2011

项目来源:浙江省科技厅科技计划项目(2007C31025),温州市科技局科技计划项目(G2*******)收稿日期:2010-08-01 修改日期:2010-09-25

The Te mperature Sensor Syste m for t he H igh Volt age Apparatus Based on t he Photonic Crystal Fi ber Fabry Perot Cavity

*

Q IAN X iangzhong

*

(Colle g e of Physi c s and E lectron ic Informa tion Eng i neer ,W e nzhou Un i versit y,W enzhou Z heji ang 325027,China )

Abst ract :The te m pera t u re sense syste m used on te mperature m easure for the h i g h vo ltage apparat u s is presented based on the characteristics of narro w band filtering of the pho ton ic crystal fiber(PCF)Fabry Perot(F P)cavity and li q u i d cr ystal re fractive index sensitive to te m perature .The syste m is consi s ted of t h e opti c source ,li q u i d crystals

filling F P cav ity te m perature sensor of PCF ,fi b er F P cav ity filter ,si g nal a m plification c ircu its and d isp lay m odule .The te m perature m ay be real ti m e m easured based on t h e w aveleng th o f the m ax i m um optica l po w er po i n t change o f PCF F P cav ity w hich the ne m atic liquid crysta ls filled in ,w ave length changed represented by fi b er F P cavity fil ter ,the relati o n of li q u i d cr ystal refractive i n dex w it h te m perature ,and da ta pr ocessing .The sense syste m is spec i a l su it to the h i g h voltage apparatus te m perature on li n e as it has the perspective of the i n trinsica ll y safe ,h i g h preci si o n ,h i g h e lectrical i n su lation and anti electro m agnetic i n terference .The co mparative tests w ith W ZPB -1type standard p l a ti n um resistor ther m o m eter sho w that the m easuring accuracy of th is syste m is better than 0.1 be t w een 25 and 90 .

K ey w ords :optoelectron ics ;te m perature sense syste m ;pho ton ic crysta l fi b er Fabry Perot cavity ;h i g h vo ltage appa ratus ;ne m atic li q u i d crystals

EEACC :7230E ;4150D;7320R do:i 10.3969/j .issn .1004-1699.2011.02.026

基于光子晶体光纤F P 腔的高压电器温度传感器系统

*

钱祥忠

*

(温州大学物理与电子信息工程学院,浙江温州325035)

摘 要:基于光子晶体光纤F P 的窄带滤波特性和液晶折射率对温度变化敏感特性,提出了一种用于高压电器温度测量的

温度传感器系统。该系统主要由液晶填充的光子晶体光纤F P 腔传感器、光纤F P 滤波器、放大电路和显示模块组成。将向列型液晶填充在光子晶体光纤F P 腔内,温度变化引起最大反射光强点波长的变化,采用光纤F P 腔滤波器解调出光波长的变化,并利用液晶折射率与温度之间的关系,经过数据处理,实现温度的实时测量。系统具有本征安全、高精度、高电绝缘和抗电磁干扰等优点,特别适合于高压电器的温度在线检测。与W ZPB-1型标准铂电阻温度计的对比实验结果表明,测温区间在25 ~90 时,该系统的测量精度优于 0.1 。

关键词:光电子学;温度传感器系统;光子晶体光纤F P 腔;高压电器;向列型液晶

中图分类号:TN929.11 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2011)02-0294-04 温度升高会使高压电器中使用的金属和绝缘材料的机械强度和绝缘强度明显下降,使用寿命降低甚至损坏。因此,监测高压电器的温度,提前发现和排除热故障隐患,对于保证高压电器的正常运行,具有非常重要的意义。高压电器大多处于高电压、大电流和强磁场的环境中,由于强电磁噪声和高压绝缘问题,常规的电类测温方法不适用

[1-2]

。光纤、光纤光

栅、红外辐射和光纤F P 测温虽然可用来对高压电器进行温度监测,但光纤测温[3]

对光源、发射和接收电

路的稳定性要求高,存在测温精度低、空间分辨率低

等缺点;光纤光栅测温

[4]

用紫外光写入光栅的方法则

成本较高,对解调系统要求高,并且存在温度和应变的交叉敏感效应;而红外辐射

[5-6]

测温的准确度低,

无法监测高压电器封闭内接点的温度,不能进行在线

第2期钱祥忠:基于光子晶体光纤F P 腔的高压电器温度传感器系统

实时监测。光纤F P 干涉型温度传感器[7-8]

具有抗电磁干扰能力强、精度高、稳定性好和分辨率高等优势,但传感器的腔长会随着环境温度的变化而变化,导致了温度交叉敏感效应,降低了温度测量的准确性和可靠性。如何在恶劣的测量环境下实现低成本并能避免其它参量干扰的测量方法来对高压电器进行在线温度测量,了解电器内部的温度分布,便成为高压电器产品设计中的一个关键因素。

本文提出了一种基于填充有液晶材料的光子晶体光纤F P 温度传感器,利用温度变化引起F P 腔内液晶折射率变化,导致最大反射光强波长位置的移动,通过测得该波长位置的变化来得到温度的变化。这种温度传感器具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀和高绝缘性,与普通传输光纤兼容性好等优点,特别适合用来对高压电器进行温度在线测量。

1 测温原理

基于光子晶体光纤F P 腔的高压电器温度测量系统的组成模块如图1所示,核心部分是填充有液

晶材料的光子晶体光纤F P(PCF F P)腔温度传感器、光纤F P 腔滤波器和光电转换器。其中PCF F P 腔温度传感器的作用是将温度的变化转换为反射光强的相位变化,此相位由液晶的折射率(取决于温度)和光波长共同决定;而光纤F P 腔滤波器的作用是从相位变化中获得光波长的变化,从而获得折射率的变化,再利用液晶折射率与温度的关系就得到温度的变化信息。测温原理是宽带光源发出的光经过光纤耦合器进入传输光纤,再通过法兰盘连接,光进入PCF F P 腔温度传感器,不同温度选择反射不同波长的光,利用光纤F P 腔滤波器和光电转换器将不同波长光照射下产生不同的光电流,再经过放大电路(包括I V 变换、电压放大和滤波电路),得到不同温度对应的输出电压,经过A /D 转换和单片机进行数据处理与系统控制,

将温度显示出来。

图1 PCF F P 温度传感器系统结构框图

1.1 PCF F P 腔温度传感器

光子晶体光纤是纤芯被破坏了周期结构的缺陷二维光子晶体,其波导特性由空气孔尺寸和排列方式

以及材料的折射率决定。光子晶体光纤的截面如

图2所示,芯区中的均匀圆空气柱在玻璃衬底上按三

角排列形成的周期性结构。我们在纤芯的空气柱内填充向列相液晶,液晶分子在空气孔中的排列方向主要取决于毛细管的直径和边界条件。当温度变化时,液晶的折射率将发生变化,导致PCF 的光学传输特

性发生改变,为用于测量温度提供了基础[9-10]

。

图2 光子晶体光纤截面示意图

当仅考虑温度变化的影响时,液晶分子的排列方向一般是沿着光纤的轴方向,对应液晶非常光折射率n LC ,它是温度T 的函数

[11]

:

n LC (T )=A -BT +2( n)0(1-T /T C )

/3(T

其中( n )0是温度T =0K 时液晶的双折射,T C

是液晶向列相-各相同性相的相变点温度,A 、B 和 近似为常数,可以通过拟合液晶的折射率实验曲线而获得。

由于玻璃的弹性模量很大,包层中玻璃和空气孔都会自由膨胀,所以温度变化引起液晶填充光子晶体光纤包层均匀膨胀,包层截面等比例放大,但玻璃的热膨胀系数很小,约为5.5 10-7

K -1

,所以可以忽略热膨胀效应,仅考虑热光效应对光纤传输的影响。玻璃折射率温度系数为常数,约为1.1 10

-5

K -1

,可以

忽略温度变化对包层折射率的影响。所以,温度对液晶填充PCF 折射率的影响可以只考虑温度对液晶折射率的影响。

PCF F P 腔温度传感器结构如图3所示,是在一段填充有液晶的PCF 两端用电弧放电熔接方法,分别熔接上两段普通单模光纤制作而成。我们采用PCF 外径为125 m 与传输光纤的更好兼容,内径为40 m 大孔径,以使液晶分子在纤芯孔内排列更均匀。为了保证腔面平行度和平面度,我们先在显微镜系统下切取需要长度的光子晶体光纤,并对端面进行抛光磨平,所以光子晶体光纤长度应尽量长,

但光子晶体光纤长度太大,填充的液晶对光的吸收损耗比光纤大,光波在液晶内多次反射会使反射的最大光强减弱,所以光子晶体光纤长度又应该尽量短。我们根据实验效果发现,取3mm 长度比较合适。在使用熔接机自动熔接时通过调整熔接机的放

295

传 感 技 术 学 报www.chinatransducers .co m

第24卷

电时间和放电能量,进行手动焊接PCF 与一端的普

通单模光纤。然后将PCF 竖立,用毛细现象将液晶灌入,由于PCF 空心空径为40 m 左右,液晶分子可以很容易被灌入。最后再焊接PCF 与另一端的普通单模光纤。PCF F P 腔可以作为一个窄带滤波器,在一定波长范围内,若以平行光入射到F P 腔,则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉,产生相干极大。由于采用PCF F P 腔作为干涉腔,光在干涉腔内的传输损耗很小,在满足光源光波干涉的条件下,干涉腔可以做得很长,且干涉光信号仍然具有很高的对比度。图3中由多光束干涉理论,PCF F P 腔传感器的反射光强I R 为

[12-13]

:

I R =2R (1+cos )I 0/(1+R 2

+2R cos )

(2

)

图3 PCF F -P 温度传感器结构示意图

其中I 0为入射光强,R 是F P 腔两端面的反射率, 是相位差:

R =(n LC -n S M )2/(n LC +n S M )

2

(3)

=4n LC L / (4)

式中n S M 为单模光纤的芯折射率,L 为F-P 的腔长。向列相液晶的折射率典型值在1.55~1.75之间,单模光纤的芯折射率为1.44~1.50之间,由式(3)知反射率R 远小于1,则式(2)可以近似为:

I R 2R (1+cos )I 0(5)

由于液晶折射率n LC 对温度变化敏感,所以R 是温度的函数,式(5)表明光强相对于相位差近似为一个幅度被温度调制的余弦曲线。已有的理论和实验表明,

由温度引起的腔长改变量非常小[13]

,所以相位差主要取决液晶的折射率和光波长,即相位差是温度和光波长的函数,表明F P 腔反射光强的幅度和周期被温度和光波长调制。当温度变化时,特定波长的干涉光强也随之变化,在波长-光强关系图上,余弦曲线的周期和相位都发生变化,即波峰发生漂移,波峰间距也发生变化,通过解调反射光强的变化,就能达到温度的变化,这就是液晶填充的PCF F P 传感器测温的原理。1.2 温度解调器

当温度变化时,液晶填充的PCF F P 温度传感器中的液晶折射率发生变化,由式(4)可以看出相位将发生变化,而F P 腔长的变化对相位的变化贡献可以忽略。对于宽带光源,含有一定波段内的各

种波长成分,此复色光入射到F P 温度传感器中,反射光强中含有温度调制信息,在一个自由程范围内,存在折射率(温度)与波长满足光强最大点,采用F P 腔光纤滤波器解调出该波长,就能得到相应的折射率,即实现了温度信息的解调。

光纤F P 腔滤波器是一个窄带滤波器,在一定波长范围内,对入射的平行光,只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉,产生相干极大。构成光纤F P 腔的两个高反射面中的一个固定,另一个可以移动且背面贴有一个压电陶瓷,给压电陶瓷施加一个扫描电压,压电陶瓷产生伸缩,从而改变F P 腔的腔长,使透过F P 腔的光的波长改变。当光纤F P 腔滤波器的透射波长与PCF F P 腔温度传感器反射峰的波长重合时,探测器能探测到最大光强,此时通过给压电陶瓷施加的电压与波长的关系,就能得到温度传感器反射峰的波长。一般的光纤F P 腔滤波器可分辨11.3 光电转换器与放大电路

光电转换器负责把不同波长的光信号转换成电流信号,采用高灵敏度的I nGa As 光电二极管,尾纤输出填充其结构。电流信号只是几十到几百纳安的数量级,需要放大电路来放大到所需要的程度。转换成伏级的电压信号V 0,再经过A /D 转换与单片机控制电路,将温度信息在液晶显示电路上显示出来。在可以测量的温度范围内(通过电器允许温度不超过150 ,如高压开关柜最高允许90 左右,变压器最高允许120 左右),光子晶体光纤F P 腔的最大反射位置波长改变在2n m 以内,高灵敏度的I nGa As 光电二极管对不同光波长转换的光电压没有区别,所以它不能检测分辨不同的波长信息,仅起到光电转换作用,不同波长的分辨是由系统中的光纤F P 腔滤波器来完成的。

2 实验测量

采用H C19-1550系列空心光子晶体光纤,直径为40 m,截取长度为3mm ,填充的液晶为E7系列混合物,F P 腔两端熔接的单模光纤为S MF-28。为

了检验本设计系统对高压电器的在线测温效果[14]

,采用变压器将高压开关电压降低,从而产生大电流(1600A 以上),使得高压开关温度升高,测量的温度曲线如图4所示,图中的高温设定是根据实际需要设置的报警温度。将本设计系统与W ZPB-1型标准铂电阻温度计同时放置在测量点上显示温度的对比数据如表1所示。实测结果表明,测温区间为25 ~90 ,本系统的测量精度优于 0.1 。

296

第2期钱祥忠:基于光子晶体光纤F P腔的高压电器温度传感器系统

图4 高压开关柜现场温度实时测量曲线

表1 现场实测温度实验数据

铂电阻温度计/ 本设计/ 铂电阻温度计/ 本设计/

25.0325.1060.3260.34

29.9829.9664.9565.00

35.0535.1170.5770.55

39.5839.5475.7075.71

45.1045.1880.0179.98

50.4750.4385.1585.12

55.2655.2289.9089.92

3 结果与讨论

光子晶体光纤F P腔是一种窄带滤波滤波器,其反射光强与折射率和光波长有关,而液晶折射率对温度变化敏感,将液晶填充到PCF F P腔中,就构成了最大反射光强点的波长位置随温度变化而变化的温度传感器。这种传感器具有本征安全、高电绝缘和抗电磁干扰等优点,又能与普通传输光纤很好兼容,所以特别适合用于高压电器温度的在线检测。同时,环境压力的变化对该温度传感器的影响可以通过光子晶体光纤包层的空气孔而降低,克服了温度和压力的交叉敏感,致使该传感器的测量精度较高,系统的测温区间为25 ~90 ,实验现场的测量误差在 0.1 以内。还可以通过选用不同的向列型液晶混合物,来得到不同的温度测量范围,以满足不同高压电器温度检测的需要。

利用式(1)可求出,对E7系列液晶,当温度从25 升高到90 时,液晶折射率从1.72变化到1 54,减小了0.18,利用式(5)求得对应的光子晶体光纤F P腔的峰值波长变化了0.7807nm,在相同温度变化范围内,不同液晶对应的折射率和光子晶体光纤F P腔的峰值波长变化了不同,在传感器实际应用中通过定标和数据处理来满足不同的液晶材料。相比较,空心光子晶体光纤F P腔对温度变化响应度很低,几乎不随温度变化[13],所以可以忽略温度对空心光子晶体光纤F P腔的影响。

参考文献:

[1] 江和,张培铭,翁桂华.基于无线通信的高压设备温度监测系

统的设计[J].仪器仪表学报,2009,30(9):1969-1975.

[2]钱祥忠.应用液晶热色效应的高压电器温度在线测量系

统[J].高电压技术,2010,36(4):971-974.

[3]邬钢,李进.光纤在开关柜触头温度监测中的应用[J].高电压

技术,2006,32(2):122-122.

[4]L i u J,C hen W G,Zh ao J B.M eas u ri ng T echnology of Transfor m er

In ternal Te m perat ure Based on FBG Sensors[J].H i gh Voltage En

gi neeri ng,2009,35(3):539-543.

[5]张艳,田竞,叶逢春.基于红外传感器的高压开关柜温度实时

监测网络的研制[J].高压电器,2005,41(2):91-94.

[6]赵振兵,高强,苑津莎,等.一种变电站电气设备温度在线监测

新方法[J].高电压技术,2008,34(8):1605-1609.

[7]Ran Z L,Rao Y J,Li u W J,et a.l Laser M icro m ach i ned Fab ry

P RotOp tical F i ber T i p S ensor f or H i gh R esol u ti on T e m perat u re

Independent M eas u re m en t of Refracti ve Index[J].Op t Exp res s,

2008,16(3):2252-2263.

[8]王立新,刘柱,徐丹.基于可调F P腔的光纤气体传感器研

究[J].传感器与微系统,2007,26(6):63-64.

[9]傅海威,赵辉,乔学光,等.光子晶体微腔温度响应特性研

究[J].光学学报,2010,30(1):237-240.

[10]李学金,于永芹,洪学明,等.基于液体填充的光子晶体光纤温

度传感特性分析[J].中国激光,2009,36(5):1110-1114. [11]钱祥忠.温度对液晶填充光子晶体光纤传输特性的影响[J].

光学学报,2008,28(5):988-991.

[12]Tao W,Yukun H,H ail ung T,et a.lM i n i at u ri zed F i ber In li ne Fabry

P Rot In t erf ero m et er Fabricated w it h a Fe m tosecond Laser[J].Opt

Lett,2008,33(6):536-538.

[13]饶云江,黎宏,朱涛,等.基于空芯光子晶体光纤的法-泊干涉

式高温应变传感器[J].中国激光,2009,36(6):1484-1487. [14]张修太,胡雪惠,翟亚芳,等.基于PT100的高精度温度采集系

统设计与实验研究[J].传感技术学报,2010,23(6):

812-815

.

钱祥忠(1963-),男,博士,教授,2003

年6月毕业于电子科技大学,获得工学

博士学位,现在温州大学工作,主要研

究方向为光电传感技术与应用,主持完

成省部级科研项目5项,授权专利1

项,申请发明专利2项,发表论文30余

篇,xzhq i an@263.ne t。

297

光子晶体光纤设计与分析

光子晶体光纤设计与分析 摘要：光学物理学家探索的光子晶体材料应用中，光纤无疑是最具有前景的一项应用。光子晶体光纤（以下简称PCF）是一种新型光波导，具有与普通光纤截然不同的特性。这种新型光纤可以分为两个基本类型——折射率波导和带隙波导。由于横向折射率分布有很大的自由度，所以折射率波导型PCF可以设计成具有高度反常色散、非线性以及双折射等特性的光纤。关键词：PCF原理结构分析制备特性应用 正文： 一.PCF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。 1.1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 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]。 1.2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。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 二．PCF的结构与制作 PCF的结构一般是在石英光纤中沿径向有规律地排列着许多空气孔道，这些微小的孔道沿光纤轴线平行排列。根据其结构类型可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是纤芯为石英玻璃、包层为石英玻璃中分布许多空气孔道和石英玻璃壁的组合体。空心光纤的纤芯为一条直径较大的空气孔道，包层与实心光纤类似。通过设计这些空气孔的位置、大小、间距及占空比等波长量级的特征参数，对某以波段形成带隙，从而对这一波段的光传播是实现控制。 光子晶体的制作都要经过拉伸、堆积和熔合等过程,如Knight J C等的制作方法: (1)取一根直径为30mm的石英棒,沿其轴线方向上钻一条直径为16mm的孔,随后将石英棒研磨成一个正六棱柱; (2)把该石英棒放在2000℃的光纤拉丝塔中,将它拉成直径为0.8mm的细长正六棱柱丝; (3)把正六棱柱丝切成适当长度的若干段,然后堆积成需要的晶体结构,再把它们放到拉丝塔中熔合、拉伸,使内部空气孔的间距减小到50Λm左右,形成更细的石英丝; (4)在以上工作的基础上,把上述石英丝高温拉伸,形成最后的PCF。在以上3个阶段的拉伸过程中,晶胞减少了104数量级以上,最后形成的光子晶体的孔间距在2Λm左右。PCF 沿着石英丝的轴向均匀排列着空气孔,从PCF 的横切面看,存在着周期性的二维结构。如果核心处引入一个多余的空气孔,或者在应该出现空气孔的地方由均匀硅代替,从而在光子晶体中引入一

光子晶体光纤材料

光子晶体光纤材料 光子晶体的能带结构 电子能带与光子能带 在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。 完全光子能隙的产生 光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。 人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种

标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。 能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。 光子晶体中的缺陷能级 半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷

论光子晶体光纤技术的现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，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。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。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的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，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,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，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著改善。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 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

大模场光子晶体光纤设计

第24卷第3期Vo l.24,No.3滨州学院学报Journal of Binzho u University 2008年6月Jun.,2008 大模场光子晶体光纤设计 收稿日期:2008-01-04第一作者简介:薛 华(1976 ),女,山东惠民人,讲师,在读硕士,主要从事无线电物理研究. 薛 华,韩春艳 (滨州学院物理与电子科学系,山东滨州256603) 摘 要:全内反射型光子晶体光纤纤具有为高折射率,包层为石英-空气周期结构,光通过高折射率纤芯与低平均折射率包层间的全内反射向前传播.包层的周期结构要求也不严格,甚至可以无序.利用其特有的 无截止单模 特性,对大模场光子晶体光纤进行了设计. 关键词:光子晶体光纤;无截止单模;模场 中图分类号:TN 252 文献标识码:A 文章编号:1673-2618(2008)03-0079-04 PCF(Photonic Cry stal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell 等人[1]于1992年提出,它的结构由石英棒或石英毛细管排列而成的,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(H o ly Fiber)或微结构光纤(M icro -structured Fiber).PCF 根据其导光原理可以分为两种,一种是光子带隙光纤(Pho to nic Band Gap PCF,PBG -PCF),另一种是改进的全内反射PCF(T otal Internal Reflection PCF,TIR -PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF ).T IR -PCF 与传统光纤的差别在于包层具有与PBG -PCF 相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质.由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性.比较两种PCF,全内反射PCF 无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF [2]. 1 无截止单模(Endlessly single mode)特性 这是T IR -PCF 的一个重要的特性.对于标准的阶跃型单模光纤,其归一化频率V 由下式决定 [3]:V =(2 / )(n 2c o -n 2cl )1/2,(1) 式中n co 和n c l 分别为光纤纤芯和包层材料的折射率, 为纤芯半径, 为光波长.归一化频率V 决定了模式数目,当V <2.405时,光纤才是单模的.对应于V =2.405的波长就称为传统光纤的截止波长,只有当工作波长大于此截止波长时光波才能在光纤中实现单模传输.而PCF 不存在截止波长,用有效折射率模型[4]可以较好地解释这一现象.类似于传统光纤的归一化频率,在PCF 中,亦可定义一个等效的归一化频率为[5]: V ef f =(2 / )(n 2co -n 2ef f )1/2,(2) 其中n c o 和n ef f 分别为PCF 芯层和包层的等效折射率, 为芯层半径.PCF 包层的等效折射率n e f f 可以根据包层晶胞的等效数学模型解出.它是光辐射波长的函数,当波长减小时,光束截面随之收缩,光波模式分布向纤芯集中,因此n ef f 增大,从而n co 和n e f f 的差减小,这就抵消了波长减小的趋势,使V ef f 趋于定值,从而满足了单模传输条件.理论计算及实验证明:只要满足空气孔径与孔间距之比小于0.2,[6]PCF 就具有无截止单模特性.更重要的是,PCF 的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无关,只取决于光纤的相对尺

光子晶体及其器件的研究进展

深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师

子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 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。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得

光纤激光器工作原理及发展

光纤激光器的工作原理及其发展前景 1 引言 光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。光纤激光器有很多独特优点，比如：激光阈值低、高增益、良好的散热、可调谐参数多、宽的吸收和辐射以及与其他光纤设备兼容、体积小等。近年来光纤激光器的输出功率得到迅速提高。已达到10—100 kW。作为工业用激光器,现已成为输出功率最高的激光器。光纤激光器的技术研究受到世界各国的普遍重视，已成为国际学术界的热门前沿研究课题。其应用领域也已从目前最为成熟的光纤通讯网络方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展。本文简要介绍了光纤激光器的结构、工作原理、分类、特点及其研究进展，最后对光纤激光器的发展前景进行了展望。 2 光纤激光器的结构及工作原理 2.1光纤激光器的结构 和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后．最终形成稳定激光输出。图1为典型的光纤激光器的基本构型。 增益介质为掺稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个仔细选择的反射镜之间．从而构成F—P谐振器。泵浦光束从第1个反射镜入射到稀土掺杂光纤中．激射输出光从第2个反射镜输出来。 2.2 光纤激光器的工作原理 掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时．就会被稀土离子所吸收。这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有2种：自发辐射和受激辐射。其中，受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可

《光子晶体光纤在光纤通信中的应用与展望》

调研报告 课程：光纤通信 学院：电气工程学院 班级： 14级电子专业02班 学号： 20144470220 姓名：郑浩

光子晶体光纤(PCF)在光纤通信中的应用与展望 郑浩 （南华大学电气工程学院，湖南衡阳） 摘要：光纤是光纤通信系统中的传光媒质，开发性能优异、独特的新型光纤是实现更远距离光通信的重要发展方向。本文将侧重三个方面，先着重介绍光子晶体光纤的导光原理及传输特性，再介绍光子晶体光纤的各个发展节点中的重要成果和突破，最后是对光子晶体光纤的发展前景做出的总结和评价。 关键词：光纤通信; 光子晶体;光子晶体光纤;传输特性 1 引言 光子晶体光纤(PCF)因为其灵活的色散裁剪、完美的抗弯曲特性、良好的非线性等新颖特性，一经提出便广受关注。1960年，华人科学家高锟对于光纤的低损耗的可实现性所做的论述，是开启以光纤通信为主的光通信时代的一把钥匙，所以可以说光通信的广泛使用正是有赖于光纤技术的不断进步，而研发出新型光纤或提高现有光纤的品质一直以来都是光通信领域的重点。光子晶体光纤正是传统光纤的替换选择之一。 光子晶体这一概念最早由E.Yablonovitch与S. John分别提出，光子晶体就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料[1]。1991 年，Russell首次提出了光子晶体光纤的概念。光子晶体光纤是一种由单一介质(石英玻璃、塑料等)构成，并且在二维的方向上呈现周期性紧密排列(如周期性六角形等)、而在三维空间(光纤轴向)基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤[2]。光子晶体光纤(PCF)根据光纤的结构不同，又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MOF)。根据导光的机制的不同，可以将光子晶体光纤分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，本文将主要介绍后者。尽管光子晶体光纤具有传统光纤无可比拟的新特性，但受限于理论模型的精确度，尤其是生产工艺与单位价格。本综述中所引用的所有文献截止时间为2017年9月。 2 原理与特点分析 2.1 PCF的结构 按光纤结构的不同，光子晶体光纤可分为空心光纤和实心光纤。其中空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤；而实心光纤则是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。PCF 也是使用传统光纤的熔融拉丝方法拉制而成。光子晶体光纤的剖面是按照周期性点阵排列的。这种与波长大小相当的周期性点阵就是PCF的“晶格”。 2.2 PCF的导光机理[3] 普通光纤是利用掺杂方式来获得光波导结构, 从而实现光纤的光传输性能的要求。而光子晶体光纤的导光机理可分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机制。 折射率导光机理是指，周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率之间有一定的差别, 从而使光能够在纤芯中传播, 所以这种结构的

综述光子晶体的研究进展

光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领

域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的

光纤激光器的分类

光纤激光器的分类 光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种： （1）按增益介质分类为： a）晶体光纤激光器。工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等。 b）非线性光学型光纤激光器。主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。 c）稀土类掺杂光纤激光器。向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，（Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶）而制成光纤激光器。 d）塑料光纤激光器。向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 （2）按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。 （3）按光纤结构分类为单包层光纤激光器、双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。 （4）按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，其中脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理又可分为调Q光纤激光器（脉冲宽度为ns量级）和锁模光纤激光器（脉冲宽度为ps或fs量级）。 （5）根据激光输出波长数目可分为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 （6）根据激光输出波长的可调谐特性分为可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。 （7）按激光输出波长的波段分类为S-波段（1460~1530 nm）、C-波段（1530~1565 nm）、L-波段（1565~1610 nm）。 （8）按照是否锁模，可以分为：连续光激光器和锁模激光器。通常的多波长激光器属于连续光激光器。 按照锁模器件而言，可以分为被动锁模激光器和主动锁模激光器。 其中被动锁模激光器又有: 等效/假饱和吸收体：非线性旋转锁模激光器（8字型，NOLM和NPR） 真饱和吸收体： SESAM或者纳米材料（碳纳米管或者石墨烯）。

特种光纤技术及其发展趋势

特种光纤技术及其发展趋势 摘要：本文首先回顾了我国民族光纤产业的巨大进步与突破，进而引出激烈竞争情况下的特种光纤年差异化发展策略。着重讲述了我国特种光纤研究进展，包括前沿的光子晶体光纤技术、色散补偿光纤技术、保偏光纤、掺稀土光纤、能量传输光纤等。最后结合国家科技发展计划，阐述了特种光纤的发展趋势。 关键词：光纤通信、光纤、预制棒、光子晶体光纤、特种光纤 一、引言 “十一五”期间，在国家有关部门和各级政府的重点支持下，特别是国家科技部在“十一五”国家科技攻关和“863”光电子新材料研究计划中，安排了光纤预制棒科技支撑计划项目，国内光纤企业积极迎接挑战、踊跃投入，各相关行业协会大力促进，加快了具有自主知识产权的光纤预制棒新技术、新工艺和新材料的开发步伐。在国家自主创新政策的引领下，民族光纤的自主创新研究显著增强，我国的预制棒技术取得了突破性进展，光纤预制棒制造技术与设备研究及产业化等方面均实现了跨越式发展：制造工艺从MCVD与PCVD，发展到OVD与VAD技术，光棒制造能力从2家发展到4家，国内光纤制造商的单模光纤年生产能力突破1000万芯公里的企业迅猛增加到4家，我国已经发展称为名符其实的光纤制造第一大国。 虽然，我国常规单模产能实现了历史性跨越与进步。但是，在经济全球化的今天，常规单模光纤的竞争日趋白热化。加之发达国家将制造业向中国转移，这种现实的环境更是加速了民族光纤产业的竞争，价格迅速下滑，产能将再度出现供大于求的窘境。 因此，民族光纤产业一方面要更一步增强自主创新，狠抓光纤上游核心—－光纤预制棒规模化技术，抢夺利润来源主体；另一方面，民族光纤企业家需要站在全球化市场的战略高度，苦练内功，强化管理，将民族光纤产业走出国门，推向全球市场；第三，面对利润微薄的常规光纤市场实际，要创造性地展开差异化竞争，自主创新地研究与开发特种光纤新产品，拓展新的利润增长点。 二、光子晶体光纤 烽火通信科技股份有限公司在十一五国家重点基础研究发展计划973项目“微结构光纤结构设计及制备工艺的创新与基础研究”（2003CB314905）、高新技术产业化项目“863”计划“光子晶体光纤及器件的研制与开发”（2007AA03Z447）、973计划项目“微结构光纤的创新设计、精确制备及其标准化”（2010CB327606）的支撑下，从微结构光纤设计、制备技术和应用技术等多方面进行了系统深入的研究，取得了重大的科研成果。烽火通信已经初步形成了微结构光纤（光子晶体光纤）的工艺技术与设备控制技术，以及自主知识产权的专利技术，先后制造出如图1～图6所示的光子晶体光纤，包括：高非线性光子晶体光纤、色散平坦光子晶体光纤、FTTH用微结构光纤、大模场单模光子晶体光纤、空心PBG型光子晶体光纤、全固态PBG型光子晶体光纤，以及双包层掺镱光子晶体光纤、掺铒光子晶体光纤等。

光纤激光器研究进展

收稿日期:2008-10-13. 动态综述 光纤激光器研究进展 申人升,张玉书,杜国同 (大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023) 摘 要: 光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。 关键词: 光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲 中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05 Latest Development of Fiber Lasers SH EN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu,DU Guo -tong (School of Physics and Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,C HN) Abstract: Fiber lasers ow n lots of advantages co mpared w ith other lasers,including lo ng life,goo d mode,compactness,etc.Recently,fiber lasers have received increasing ly intensive attention in the applications o f electro nic inform ation,industr y processing and national defense technolog y.T he ty pical principle o f fiber laser is explained and resear ch progr esses about fiber lasers are review ed.Furthermore,the future developm ental trends fo r laser fiber are discussed. Key words: fiber;fiber lasers;photonic crystal fiber;ultrashort pulse 0 引言 光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。 光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。 1 原理与分类 1.1 基本工作原理 图1 所示为典型光纤激光器的基本结构。 图1 光纤激光器基本结构 典型光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激发增益介质的泵浦源。其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。 当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现/粒子数反 # 1#

光子晶体光纤简介及原理

光子晶体光纤简介及原理 中文摘要: 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，这为我们设计高性能的偏振器件提供了可能。 中文关键字：光子晶体光纤 PCF导光机理 PCF的特性 英文摘要: In 1991, the emerging field of photonic crystals led to the development of photonic-crystal fiber which guides light by means of diffraction from a periodic structure, rather than total internal reflection. The first photonic crystal fibers became commercially available in 2000.[8] Photonic crystal fibers can be designed to carry higher power than conventional fiber, and their wavelength dependent properties can be manipulated to improve their performance in certain applications. 英文关键字: photonic-crystal fiber 光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其 概念是1987年分别由S. Jo n和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的 结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电 子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其 周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，

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。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S](精)

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法