光子晶体光纤

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1、第四章光子晶体光纤4.1光子晶体光纤发展沿革4.2光子晶体光纤的传输特性4.3光子晶体光纤光栅4.4光子晶体光纤在能量传输中的应用目录4.1光子晶体光纤发展沿革光子晶体(PhotonicCrystals,PCs)是在1987年由普林斯顿大学的S.John和美国贝尔通讯研究中心的E.Yablonovitch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。一维二维三维光子晶体的分类光子在光子晶体①中的运动规律类似于电子在固体晶格中的运动规律，当光子在光子晶体中传播时，空间周期性排列的不同介电

2、常数材料对光子形成布拉格散射，出现能带结构，并导致在带与带之间出现类似于半导体禁带的光子带隙的出现。背景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。即：在石英光纤中沿轴向周期排列着波长量级的空气孔。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全内反射型PCF，1998年Knight等又率先拉制出光子带隙型PCF。光子晶体光纤的分类PCF导光机制分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤（TIR-PCF）也称折射率引导光子晶体光纤，另外

3、一种光子带隙光纤（FBG-PCF）TIR-PCF如图所示为最早的全内反射型PCF，该光纤包层由周期性的空气孔排列形成，芯子位置缺少一个空气孔，由石英玻璃材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层的有效折射率。此时导模机制类似于传统阶跃光纤的全内反射机理。PCF的特性与其结构紧密相关，只要改变空气孔在包层中的分布规律和大小就可以设计出不同特性的PCF。FBG-PCF最早的光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置在一个蜂窝单元中心处增加一个空气孔，从而引入缺陷，形成

4、芯区。两种光纤的导模原理上图所示的简单结构，芯区为低折射率区，被高折射率包围，此时芯子中的任意角度的入射光在n1和n2交界面处都发生反射和透射，芯子中的光会随着传播距离的增大迅速衰减，无法被束缚而形成导模。下图所示为全发射型光子晶体光纤结构，包层中存在周期性排列的低折射率n2单元，使得光波所看到的平均折射率将低于n1，由于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入射角的条件下，芯子中的光会在n1和n2交界面处都发生全反射（与传统光纤类似），此时模式场将会因全反射在光纤芯子中传播。中图所示为光子带隙型光子晶

5、体光纤结构，要想使光波在折射率为n2的介质中传播，其传播常数β应小于材料的折射率乘以真空中波数n2k0，此时光波能在所有介质中传播，而当包层中各介质层满足布拉格条件时，会产生严重的散射和干涉效应，在多重散射和干涉叠加的影响下，光波的大部分能量可以被束缚在中心的低折射率区中形成导模传输。某些结构的全内反射型光子晶体光纤，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射导模和光子带隙共存，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射导模和光子带隙导模共存。光子晶体光纤与传统越阶式光纤区别不大懂其他类型光子晶体

6、光纤全固光子晶体光纤布拉格光纤布拉格光纤光子晶体光纤的数值分析法等效折射率模型平面波方法基于本地正交函数法多极方法时域有限差分法有限元法不详细介绍光子晶体光纤的制作完成预制棒的设计和制作，预制棒里包含了设计结构将预制棒放在光纤拉丝塔中，利用普通光纤的拉丝方法在更精确的温度和速度中控制下拉制成符合尺寸要求的光子晶体光纤在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体的压强和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获得一系列的不同结构的光子晶体光纤毛细管堆积方法制作预制棒石墨炉，温度1800-2000℃拉制成

7、光子晶体光纤预制棒的制作化学腐蚀法毛细管组合法溶胶-凝胶法设计并制作出光子晶体光纤的截面结构形成光子晶体结构复制堆积拉丝过程将溶胶浇注成设计成的结构使其凝胶空气孔结构可由适当的圆棒插入，待凝胶后移除即可形成在构成预制棒的玻璃棒中插入可被酸腐蚀的玻璃材料将它们按设计要求排列好并融化成型利用酸腐蚀掉不需要的部分形成的空气孔4.2.1损耗特性4.2.2色散特性4.2.3双折射4.2.4非线性4.2.5无截止波长单模传输4.2光子晶体光纤的传输特性散射损耗最初全反射型光子晶体光纤的损耗约为几百dB/km200

8、4年Tajima等报道了在1550nm处损耗为0.37dB/km光子晶体光纤2005年，NTT公司的Zhou等报到了在1550处损耗为0.28dB/km、1380nm处损耗为1.38dB/km光子晶体光纤，该光纤对OH-根吸收峰位置的损耗做到了很好的抑制2007年ECOC会议上NTT公司报道了光子晶体光纤的损耗已经较低到了0.18dB/km，（这个损耗已经小于普通商用单模光纤的损耗，与目前最好的纯石英芯光纤的损耗水品0.148dB/km接近）对于空芯光子