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光子晶体光纤的特性及应用作者：牛静霞李静来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。
文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。
关键词：光子晶体光纤特性光器件0 引言光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。
光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。
光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。
1 光子晶体光纤的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。
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1（b）。
光子晶体光纤特性及应用【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。
【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙1 概述光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。
频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。
这就是光子晶体概念的来源。
光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。
如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。
缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。
光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。
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。
2 光子晶体光纤的结构根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。
2.1全反射型光子晶体光纤的结构。
全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。
2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。
这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。
如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。
光子晶体光纤传感器综述 某某某 （某大学 某学院） 摘要：本文简要介绍了和光子晶体光纤有关的一些概念以及光子晶体光纤的发展状况、基本结构、导光原理和主要特性，详细阐述了四种不同种类的光子晶体光纤传感器的工作原理、结构及特点，并对光子晶体光纤传感器的发展进行了小结和展望 关键词：光子晶体光纤，传感器 Study On Photonic crystal fiber sensor Xx xxxxx (College of Science, Northwestern Polytechnical University )
Abstract：This paper briefly introduces some concepts related to photonic crystal fiber and the development, basic structure, light guide principle and main characteristics of photonic crystal fiber. And then particularly describes the working principle, structure and characteristics of four different kinds of photonic crystal fiber sensor. Finally we summarize the development trend and the prospect of the photonic crystal fiber sensor. Key words：Photonic crystal fibers, sensors
1 引言 光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰、结构简单、体积小、质量轻、光路可弯曲、对被测介质影响小、便于形成网络等优点，有着广泛的应用前景。然而，采用普通光纤作为敏感元件的光纤传感器存在一些难以克服的缺点，如：耦合损耗较大、保偏特性差和存在交叉敏感问题等，限制了光纤传感器性能的进一步提高。 20世纪90年代中期[1]，研制出一种光子晶体光纤(Photonic crystal fiber, PCF)。这种光纤具有许多优点[2]，如：无截止的单模特性、低损耗特性、灵活的色散特性、可控的非线性、极强的双折射效应以及可进行微结构设计改造等，采用光子晶体光纤构成的光纤传感器有望解决这些问题。近年来，光子晶体光纤传感器受到各国研究人员的重视[3-5]，已经有相关的研究报道。
光子准晶体光纤
光子准晶体光纤是一种具有光子晶体结构的光纤，光子晶体是具有光子带隙的周期性结构，在一定的波长范围内，光子不能在其中传播，而只能沿着光子带隙传播，因此光子准晶体光纤具有光子带隙导光的特性。
光子准晶体光纤的制造方法是将光纤端口的孔进行热处理熔化后就得到了无芯端盖，这种密封的端面可以在大模式面积光纤端面得到，因此具有更高的损伤阈值，可以用于放大很强的纳秒脉冲。
光子准晶体光纤也可以设计多芯光纤，例如单根光纤的纤芯结构规则排列，纤芯之间可能发生耦合也可能不发生耦合。
光子准晶体光纤在很多方面与标准光纤类似，但是在熔接过程中，空气会发生膨胀然后使光纤结构发生畸变，光纤也可以通过机械接点、光纤连接器、插接电缆、光束扩展单元等连接在一起。
空心光子晶体光纤能够通过空气而不是玻璃导光，因此在很多应用领域它比传统的光纤更有优势并将最终取代传统的光纤。
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（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，所以折射率波导型光子晶体光纤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。
但是，在这些类型光纤中，大部分光线仍然在玻璃中传播。
带隙波导型与空心光纤公认是光子晶体光纤技术中最具革命性创新，在这类光子晶体光纤中，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。
采用空心，而不是传统掺杂高纯度硅纤芯，其优点是光纤性能不受纤芯的材料特性限制。
传统光纤的损伤阈值、衰减、非线性效应和群速度色散等参数都要受到硅材料相应参数的影响。
通过合理设计，空心光纤可以实现超过99%的光在空气中而不是在玻璃中传播，从而大大降低了光纤材料特性对光学性质和光纤性能的影响。
因此在很多重要领域，空心光子晶体光纤（HC-PCF）比传统光纤更有优势。
与传统光纤不同，光子晶体光纤不是通过全内反射导光。
相反，光子晶体光纤导引光的原理与多层镜的反射原理非常类似。
多层镜是通过众多介质面的同相反射达到全反射的效果。
在空心光子晶体光纤中，二维微小空气孔阵列贯穿整根光纤，它们的作用就相当于多层镜的各个介质层。
要将光限制在纤芯中，纤芯周围的小孔必须排成非常均匀的有规则的格子，同时，它们必须接近以至快要接触为止。
这样，包层的横截面就类似一个由硅细丝网组成蜂巢，有时候细丝小到100nm粗。
这种网格相当于理想的反射镜，把光限制在纤芯中，但是网格的反射作用会受传播常数限制。
因此，空心光子晶体光纤的光谱响应范围与传统光纤差异较大，它只能在一定频率范围内导光，典型值是在中心频率20%左右的范围。
尽管这样，空心光子晶体光纤中的模式分布还是与传统单模光纤非常类似。
空芯光子晶体光纤光子带隙的测量
空芯光子晶体光纤是一种新型的光纤，它具有非常高的光学性能和应
用前景。
其中，光子带隙是空芯光子晶体光纤的重要特性之一，它是
指在一定的频率范围内，光子晶体中不存在光的传播模式。
因此，光
子带隙的测量是空芯光子晶体光纤研究中的重要内容。
光子带隙的测量方法主要有两种：直接测量法和间接测量法。
直接测
量法是通过光谱仪测量光子晶体中的透射谱和反射谱，从而确定光子
带隙的位置和大小。
间接测量法则是通过测量光子晶体中的光传播速
度和折射率来计算光子带隙的位置和大小。
在实际应用中，直接测量法是更为常用的方法。
其具体步骤为：首先，将光子晶体光纤连接到光谱仪上，并将光源的波长范围设置在感兴趣
的范围内。
然后，通过调节光源的波长和光子晶体光纤的长度，测量
出光子晶体中的透射谱和反射谱。
最后，通过分析透射谱和反射谱的
特征，确定光子带隙的位置和大小。
需要注意的是，光子带隙的测量精度受到多种因素的影响，如光子晶
体光纤的制备工艺、光源的稳定性和光谱仪的分辨率等。
因此，在进
行光子带隙测量时，需要选择合适的实验条件，并进行多次重复测量，以提高测量精度和可靠性。
总之，光子带隙的测量是空芯光子晶体光纤研究中的重要内容，直接测量法是更为常用的方法。
在实际应用中，需要注意选择合适的实验条件，并进行多次重复测量，以提高测量精度和可靠性。
