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，
光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。
1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。
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。
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PCF，之后在光纤通信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和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。
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。
就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实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棒周围的光纤。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。
PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。
折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，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。
光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(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,其结果就是光子能隙导光理论。如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的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。当小孔间的距离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HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2～1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。
空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是：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，但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子，这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。
PCF的特性
PCF 有如下特点:结构设计很灵活,具有各种各样的小孔结构;芯和包层的折射
率差可以很大;芯可以制成各种各样;“包层折射率”是强烈依波长而变的函数,包层性能可以反映在波长尺度上。正因为有以上特点, PCF 有着以下许多奇异特性:
(1)无截止单模( Endlessly Single Mode)
传输普通单模光纤随着纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。而对于PCF ,只要其空气孔径与孔间距之比小于0. 2 ,无论什么波长都能单模传输,似乎不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性。这种光纤可在从蓝光到2μm 的光波下单模传输。更为奇特的是这种特性与光纤的绝对尺寸无关,因此通过改变空气孔间距可调节模
场面积。在1 550 nm可达1～800 μm2 ,实际上已制成了680 μm2 的大模场PCF ,大约是常规光纤的10 倍。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。
(2)不同寻常的色度色散
真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。这使得空气芯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,从而导致在1 300 nm 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2 000 ps/ nm·km) 都应运而生。
(3)极好的非线性效应双折射效应
G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤的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。然而，在光子能隙导光PCF中，我们可以通过增加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的有效面积的PCF奠定了技术基础。
(4)优良的双折射效应
对于保偏光纤而言，双折射效应越强，波长越短，所保持的传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，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，可以制造出比常用的熊猫牌保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。
PCF的新应用
(1) 超连续产生
利用飞秒脉冲在PCF中产生超连续谱已经广泛应用于光学相干层析、计量学等领域，但大部分实验采用工作在800nm波长的Ti:sapphire激光器作为泵浦源，因为这种激光器能产生能量达几个nJ的超短飞秒脉冲，只有个别实验利用1560nm波长附近的基于掺铒光纤激光器的飞秒脉冲。采用掺铒光纤激光器作为泵浦光源不但可以将飞秒超连续技术应用于1560nm附近的通信窗口，而且它比Ti:sapphire激光系统更小巧、更稳定。在OFC’2004上，H.Hundertmar等报道了一种全光纤二极管泵浦的铒光纤激光－放大系统，并利用PCF进行了超连续实验。其实验装置如图2所示：激光器环路由铒光纤（正色散）和两段负色散光纤SMF1528、Flexcor1060构成，整个环长3.4m，对应基频59.1MHz，利用非线性偏振旋转效应实验被动锁模。当980nm泵浦的输出功率为150mW时，在1560nm波长可得到输出功率14mW、脉宽65fs的锁模脉冲。放大系统由铒光纤、SMF1528和Flexcor1060构成，这些光纤的长度经过优化，以使放大器的二阶色散最小，从而使激光脉冲的线性啁啾最小。该激光－放大系统产生的脉冲入射到一段长30cm、芯径2.6mm、零色散波长1.3mm的PCF中，通过强非线性作用产生750~1750nm的超连续镨。
与以往的基于PCF的超连续产生系统相比，该系统的最大特色在于它是一个全光且利用最小的脉冲能量（200PJ）在1550nm附近得到了最好的展宽效果。
另外，S.C. Buchter等采用二极管泵浦的Q开关激光器作为泵浦光源，零色散波长~1550nm的PCF作为非线性介质，获得了700nm带宽、平坦的纳米红外超连续镨。
(2) 脉冲压缩
超短光脉冲是未来超高速光通信系统所必不可少的，为此通常采用孤子效应压缩方案来获取超短脉冲，压缩用的非线性介质一般是色散位移光纤（DSF）。若想得到重复率10GHz的脉宽~2ps左右的短脉冲，需要的常规色散位移光纤的长度通常都在数公里以上，即使采用高非线性色散位移光纤（HNL-DSF），也需要60~500米。由于小芯径、高D值的PCF的零色散波长在可见光附近同时具有高非线性和大的负色散特性，利用它进行孤子压缩可以大大减小所需光纤的长度。本次OFC会议上，K.S.Abedin等利用保偏光子晶体光纤（PM-PCF）作为非线性介质对主动锁模光纤激光器的输出脉冲进行了孤子压缩实验，所用的PM-PCF的零色散波长在1550nm附近的色散D=104ps/(nm×km)，非线性系数g=39.5 W-1×km-1，都要比DSF高一个量级，因此仅需要
10米长的PM-PCF就得到了10GHz输出功率16mW 的1.26ps脉冲。
另外，J. R. Taylor等还报道了一种采用空心光子晶体光纤实现再压缩的全光纤啁啾脉冲放大系统，如图3所示。调谐范围1535~1565nm、脉宽8ps~400fs的10GHz 光脉冲经光学衰减器（OA）适当衰减（目的是为了避免非线性效应），在100m长的DCF中展宽，然后用3W的EDFA放大，最后用10m长的负色散空心光子带隙光纤（air core PBF）压缩，PBF在1560nm波长的色散值为1146ps/(nm×km)。PBF与常规光纤直接熔接在一起，总损耗（包括熔接损耗）2.2dB。输出脉冲是低啁啾的，脉宽1.1ps，平均功率1.1W，峰值功率～100mW。如果采用重复频率更低的脉冲，峰值功率可以增加到至少数十千瓦。
(3) 可调谐光纤耦合器
Hokyung Kim等报道了一种基于侧面研磨技术的可调谐光子晶体光纤耦合器，实现方法是将两段侧面研磨的PCF镶嵌在石英块内，通过调节石英块间的匹配角，耦合比可在0~90%之间变化。耦合光的光谱在400nm范围内相当平坦，波纹度很小。
OFC-2004看光子晶体光纤的发展
从OFC2在今年2月21日至27日召开的世界光纤通信会议（即OFC’2004）上，光子晶体光纤也是报道的重点课题之一。从本次会议上可以看出，国际上关于光子晶体光纤的研究主要集中在拓展PCF的应用领域和改善PCF的性能两方面。下面就OFC’2004上有关PCF的报道做一简单介绍，重点强调了PCF的最新应用和高性能PCF的研究进展
PCF以其独特的结构和奇异性能，为光纤通信提供了一种新型的光传输介质和光器件。今天，PCF的研究正在又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。我们相信，随着PCF的导光理论、制造工艺、性能测量和施工技术的不断完善，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
参考资料:
文献1
1.引言
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
11-2 光纤传光原理 一、教学目的 1．了解光的全反射原理 2．掌握光的全反射条件 3．了解光纤传光原理 二、教学重点难点 重点：光的全反射条件 难点：由折射定律计算临界角 三、教学器材 光具盘 四、教学建议 教法建议：多媒体演示光的全反射现象，讲解，讨论 教学设计方案： （一）多媒体课件演示引入新课 草叶上露珠在阳光下晶莹透亮；透过杯壁观察盛满水的玻璃杯水面，光灿如银；水或玻璃中的气泡显得特别明亮。 为什么会出现这一些现象呢？这些都是光的全反射引起的。 （二）引出课程内容 1．光的全反射 （1）通过下面的实验观察光发生了怎样的变化。 让一束光沿着半圆柱玻璃砖从玻璃射向空气。（见11-7图），这时可以同时看到反射光线和折射光线，这两条光线都比入射光线要弱。增大入射角，折射角也随之增大，这时折射光线 90，这时折射越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度?时，折射角等于0 光线沿两种介质的界面传播。再增大入射角，折射光线消失，只剩下反射光线，光线全部反射回到玻璃中，如下图所示。此时的反射光线几乎与入射光线一样亮。 图 11-7：观察光的全反射现象 （2）光的全反射定义 90折射角的入射角?称为临入射光全部被反射回原介质的现象称为光的全反射。对应于0 界角。
(3) 光发生全反射必须具备的条件是： ①光从光密介质射向光疏介质； ②入射角大于临界角。 复习提问：什么叫光疏介质，什么叫光密介质？ 答：两种介质相比较，折射率较小的（或光传播速度较大的）称为光疏介质；折射率较大的（或光传播速度较小的）称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。 记住：光的全反射现象只发生在光密介质内部，如果光线从光疏介质射入光密介质不会发生全反射。 （4）临界角的计算 同学们还记得上次课所学习的折射定律吗？（提问2到3名同学回答，并在黑板上写下折射定律表达式） 由折射定律可以计算临界角： 201 sin sin 90n n ?= 21 sin n n ?= (11—5) 若光从某介质n 射向真空(或空气)，则 2n =l 1sin n ?= 根据上式，只要知道某种介质的折射率n ，就可以求出它对真空(或空气)的临界角?。书上用表11—2为我们列出了几种介质对真空(或空气)的临界角。 （5）全反射技术的应用 全反射在生产技术中有着广泛的应用。用全反射棱镜可以制造潜望镜；利用光在光导纤维中的全反射传光、传像等更是当今世界上最先进的通信方式。 提问请同学们思考讨论： 全反射在生产技术中还有哪些广泛应用？ （6）例题讲解 例题1.某种玻璃的折射率1n =1.52，水的折射率2n =1．33，光线如何射人，可在界面发生全反射?临界角?多大? 解 因为玻璃相对水是光密介质，所以只有当光从玻璃射向水里时才可能发生全反射，得 201sin sin 90n n ?= 21sin n n ?==1.331.52 =0.875 临界角?=0/ 613
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
光纤的导光原理 光就是一种频率极高的电磁波,而光纤本身就是一种介质波导,因此光在光纤中的传输理论就是十分复杂的。要想全面地了解它,需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者,无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解,我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理,这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言,由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波瞧作成为一条光线来处理,这正就是几何光学的处理问题的基本出发点。 ·5、1 全反射原理 我们知道,当光线在均匀介质中传播时就是以直线方向进行的,但在到达两种不同介质的分界面时,会发生反射与折射现象,如图5-1 所示。 图5-1 光的反射与折射 根据光的反射定律,反射角等于入射角。 根据光的折射定律: (公式5-1) 其中n1为纤芯的折射率,n2为包成的折射率。 显然,若n1>n2,则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度,则会使折射率,此时的折射率光线不再进入包层,而会在纤芯与包层的分界面上经过(),或者重返回到纤芯中进行传播()。这种现象叫光的全反射现象,如图5-2所示。 图5-2 光的全反射现象 人们把对应于折射角等于90的入射角叫做临界角,很容易可以得到临界角 。
不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就就是按这种思路进行设计的。 ·5、2光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹了解了光的全反射原理之后,不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹,即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,如图5-3 所示。 图5-3 光在阶跃光纤中的传输轨迹 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。于就是产生了光纤数值孔径NA的概念。 因为光在空气的折射率n0=1,于就是多次应用光的折射率定律可得: (公式5--2) 其中,相对折射率差: (公式5--3) 因此,阶跃光纤数值孔径NA的物理意义就是:能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。 需要注意的就是,光纤的NA并非越大越好。NA越大,虽然光纤接收光的能力越强,但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大,则其相对折射率差Δ也就越大(见5--2 公式),以后就会知道,Δ值较大的光纤的模式色散也越大,从而使光纤的传输容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力与模式色散。CCITT建议光纤的NA=0、18--0、23。
光纤的导光原理 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。 -全反射原理 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的, 介质 的分界面时，会发生反射与折射现象，如图5-1所示。 （公式5-1） 其中n1为纤芯的折射率，n2为包成的折射率。 显然，若n1>n2,贝U会有F诗^1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射率?，此时的折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上经过（: ），或者重返回到纤芯中进行传播（鬥応讣I朋|）。这种现象叫光的全反射 现象，如图5-2所示。 图5-2光的全反射现象 人们把对应于折射角◎等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角 但在到达两种不同根据光的反射定律, 根据光的折射定律 : I 2=903 O
不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行 传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。 早期的阶跃光纤就是按 这种思路进行设计的。 -光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即 按 “之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 5-3所示。 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。 于是产生 了光纤数值孔径NA 的概念。 因为光在空气的折射率nO=1,于是多次应用光的折射率定律可得: Sin? 为黒证去祖Jte 蚌中的全反射.则应心吗?％, H （公式5--2） 其中，相对折射率差: * 听 占 =T 1 （公式 5--3） 因此，阶跃光纤数值孔径 NA 的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行 传播的接收角B c 之正弦值。 需要注意的是，光纤的NA 并非越大越好。NA 越大，虽然光纤接收光的能力越 强，但光纤的模式色散也越厉害。因为 NA 越大，则其相对折射率差△也就越大（见 5--2公式），以后就会知道，△值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输 容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。 CCITT 建议光 纤的NA=。 -光在渐变光纤中的传播 定性解释 图5-3光在阶跃光纤中的传输轨迹 = =
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 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）
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
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
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，
第二章光纤传输与导光原理 2．1 光波的本质 狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在λ＝0.80～1.65μm之间，或者说通信用光波的频率更高f＝1014～1015Hz。 所谓可见光是指人的眼睛可见的电磁波。人的眼睛可以感受到较长波长的光，如七色光—红橙黄绿青蓝紫，在可见光中，人眼最易感受的是555nm的黄绿光。绿色光的波长约为500nm，红色光的波长在700nm，紫色光的波长约为400nm，可见光波的范围在400nm—700nm 之间，波长小于380nm或大于780nm的光，无论光强度有多强，人的肉眼几乎不可能看得到。红外线是比可见红光的波长更长，比电波波长更短的光之总称。按照到可见光的排列顺序，可分为近红外线、红外线、远红外线三种。近红外线是人眼不可见光中最常用的光，它的性质同可见光几乎无大的区别。借助半导体材料（InGaAsP）、某些气体材料（CO2）或红宝石(α-Al2O3)可有效地发光、感光，广泛用于光通信领域；波长稍长的红外线，热作用最高，若利用黑体辐射，从远红外区到红外区范围的红外光将呈峰值效应，这种光对物质具有很强的穿透力，因此，多用于微波炉、取暖器等；远红外线到电波范围，电磁波中包含有许多分子的旋转运动、振动所对应的频率，这对材料结构与性能分析非常有用。紫外线是比可见光中的紫光波长更短的波，是不可见光，具有很强的杀菌作用。 2.1.1光的波粒二象性 光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。 1．光的波动性 光波在均匀透明介质中传播的电磁场分布形式可用麦克斯韦波动方程的弱导近似式波动方程描述： ▽2H=[1/υ2][?2H/2?2t] （2-1-1）▽2E=[1/υ2][?2E/2?2t] 式中：E—电场强度； H—磁场强度； υ—均匀介质的波数，υ=1/(ｎε0μ)1/2=1/(ｎк0)1/2 ▽2—二阶拉普拉斯算符。 2．光的粒子性 光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。一个光子的能量可以用波尔能量方程描述： ?（2-1-3）Eg=hν
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
光纤导光的基本原理 1. 光的全反射 根据光的反射定律，反射角等于入射角。而对应于折射角等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角： 当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。 2. 光在阶跃光纤中的传播 阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布，是包层折射率，是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为： 数值孔径 NA ： 假设是n1包层折射率，n2是纤芯折射率,且n1＞ n2，n1和n2的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。n1约等于n2 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为n(0),则相对折射率差定义为: )arcsin( 12n n c =θ22210sin n n NA -==θ2122 212n n n -=?121n n n -=?222 2)0(2)0(n n n -=?
得： 可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA 值就越大，即光纤的集光能力就越强。 对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为： 五个激光在生活中的应用案例 1. 公路无损检测 利用激光测距功能可以检测路面的断面特性，如平整度、构造深度、车辙、路面变形和裂缝等。平整度是行驶舒适性的重要指标，路面激光平整度仪应用激光测距及加速度传感器修正技术，在检测车高速行驶的过程中，通过测量路面的纵断面高程变化值，可直接计算出平整度。构造深度是路面宏观粗糙度指标，高速行驶时起抗滑作用，激光构造深度仪使用高精度激光位移传感器，通过检测该传感器与路面不同形状骨料间的深度，在显示器上直接读出路面的构造深度。车辙是车辆长时间在路面上行驶后留下的车轮永久压痕，路面车辙深度直接反映了车辆行驶的舒适度及路面的安全性和使用期限。路面激光车辙仪分为两类，一类为一个横梁上有多个激光测距仪，直接测试路面横断面高程并计算路面车辙深度；另一类为应用线激光和高速数字高分辨图像采集技术，通过获得的激光线的变形，计算路面车辙深度。路面激光视频病害检测系统，是应用三维成像激光束、强光或日光光源、高速数字摄像技术，检测分析路面变形和裂缝的设备。 2. 激光雷达 激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，天线是光学望远镜，接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多远探测器件等。激光雷达的作用是能够准确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。 3. 激光粒度仪 激光粒度仪是基于光衍射现象而设计的，当颗粒通过激光光束时，颗粒表面会衍射光，而衍射光的角度与颗粒的粒径成分享的变化关系，即大颗粒衍射光的角度小，小颗粒衍射光的角度大。也就是说，不同各大小的颗粒在通过激光光束时其衍射光会落在不同的位置，位置信息反映颗粒大小，如果同样大的颗粒通过激光光束时，其衍射光会落在相同的位置，即在该位置上的衍射光的强度叠加后就比较高，所以衍射光强度的信息反映出样品中相同大小的颗粒所占的百分比多少。这样，如果能够同时测量和获得衍射光的位置和强度的信息，就可得到粒度分布的结果 4. 激光焊接 ?=21n NA ?=-= 2)()()(222r n n r n r NA
光子晶体光纤 摘要：光子晶体光纤由于其特殊的周期性结构，区别于传统的光纤，而具有无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的热门课题。本文主要介绍光子晶体光纤的基础知识，并介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟仿真光子晶体光纤中传输时各种模式的场分布以及有效折射率。为以后的进一步研究打下基础。 关键词：光子晶体光纤COMSOL Multiphysics 一光子晶体与光子晶体光纤 1.1 光子晶体 光子晶体是一种折射率变化周期为光波长量级的具有光子禁带的人工材料。最早的光子带隙思想由E.Yablonovitch和S.John提出。当电磁波在光子晶体中传播时，具有透射、反射和折射，电磁波受到电子周期性布拉格散射的调制，形成类似于电子的能带结构，我们称之为光子能带。在晶格常数与介电常数的比值取值适当的情况下，光子能带与电子能带相似。光子能带间可能存在禁止某些频率电磁波的频率区域，我们将这些频率区域命名为光子带隙，这是光子晶体最根本的特征。因此人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。如图1所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。