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光纤晶体简介
报告人
主要内容
• 光子晶体理论 • 特性 • 在实际中应用
光子晶体
• 光子晶体（photonic crystal） 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。
光子晶体--自然界中的例子
Butterfly
Opal
Sea mouse
结构显色！！！
二、光子晶体中的量子理论
电磁波可表示为：
2
c2
r
ur E
r (r
)
(2
2
c2
r
'
ur r )E(r)
2
c2
r
ur r E(r
)
与周期场中电子运动方程比较
V (r R) V (r)
h2 2 V (r) E
2m
电子转载周期场中的结论
E (0) k
h2k 2 2m
考虑周期场后：
对比到光波周期场种情况
光子的能量
E p kc
因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
光器有着很多优点, 比如稳定性高、体积小、重量轻、转换效 率高、散热效果好等,
激光器示意图
主要应用了掺杂光纤的单模特性。
E~
H~
E~H~00eei iωωt tkk zz
和k分别为角频率和波数，它们与周期T
和波长的播速度（相速）为：
Tk 设E0，H0，E，H分别是E和H的振幅
和初相位： E~0 E0eiE H~0 H 0eiH
代入波动方程，即可得：
k 2 r0r 0 2
理论上得到结论
具有不同介电常数的介质 材料随空间呈周期性的变 化时，在其中传播的光波 的色散曲线将成带状结构 ，当这种空间有序排列的 周期可与光的波长相比位 于同一量级，而折射率的 变化反差较大时带与带之 间有可能会出现类似于半 导体禁带的“光子禁带 ”(photonic band gap) 。
光子晶体特性
• 1、光子晶体的空间结构---能否相干 • 2、构成的光子晶体材料介电常数之比---散
射强度。
光子局域
应用
• 微波天线 • 高效率低反射透镜 • 微谐振腔 • 高效率发光二极管和低阈值激光震荡 • 宽带带阻滤波器和极窄带滤波器 • 非线性光子器件和光子存储器
光子晶体光纤
• 两种类型：
TIR-PCF 是通过全反射原理来导光，与普通光纤类似； PBG-PCF则是通过光子带隙效应导光，即把光限制在光 子晶体的缺陷即空气孔中导光。
图1 TIR-PCF的典型结构 图2 PBG-PCF的典型结构
实物图
光子晶体光纤（PCF）的特性 ：
• (1)无截止单模( Endlessly Single Mode) • (2)不同寻常的色度色散 • (3)极好的非线性效应 • (4)优良的双折射效应
光子晶体激光器
• 优点： • 光纤激光器比传统的固体激光器和气体激
定态下的电磁波波动方程为
2Er k 2Er 0
如果介质为非磁性介质，则r 1.
对于非均匀介质，尤其是其介电常数
是周期性变化时，有
r
r
kn
可将相对介电常数写为两个部分之和：
平均介电常数
r
和变动介电常数
' r
则有：
k2
( r
r
'
)
2
c2
带入波动方程可得：
2
ur r E(r)
2
c2
r
'
ur r E(r)
光子带陷：
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。
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。
光子带隙
• 光子带隙是一个频率区域，当入射光的频 率落在其中时，它被完全反射，不能穿过 光子晶体。
• 物理上，光子带隙来源于被周期性介电结 构强散射的光之间的干涉。