光子晶体与光子晶体光纤

1、1专业：专业： 通信与信息系统通信与信息系统姓名：姓名： 潘金全潘金全学号：学号： 14340410061434041006 题目：题目：光子晶体与光子晶体光纤光子晶体与光子晶体光纤21 1、光子晶体、光子晶体1.1光子晶体的基本原理1.2光子晶体分类1.3光子晶体波导1.4光子晶体的应用2 2、光子晶体光纤、光子晶体光纤2.1 光子晶体光纤分类2.2 全反射型光子晶体光纤2.3光子带隙行光子晶体光纤2.4 光子晶体光纤的特性2.5光子晶体光纤的应用3 3、总结、总结31 1、光子晶体（、光子晶体（Photonic CrystalPhotonic Crystal）19871987年，年，S.J

2、ohnS.John和和E.YablonovitchE.Yablonovitch同时提出；同时提出；1991 1991 年，年，E. E. YablonovitchYablonovitch 制作出第一个光子晶体；制作出第一个光子晶体；通过微加工获得的通过微加工获得的2D2D光子晶体光子晶体说明：光子晶体是一种在微米、亚微米的介质材料，其晶格尺度和光的波长具有相同的数量级如：对于光通信波段（波长1.55m），要求光子晶体的晶格在 0.5m左右1.11.1光子晶体基本原理光子晶体基本原理光子晶体：光子晶体： 由不同折射率的介质，周期性排列而成的人工微结构。 固体物理：原子是周期性排列固体物理：原子是

3、周期性排列光子晶体：介质是周期性排列光子晶体：介质是周期性排列空间上，折射率是周期性变化的空间上，折射率是周期性变化的光子带隙（禁带）光子带隙（禁带）一光子晶体最根本的特征 电磁波在折射率周期性变化的介质中传播时，由于相干散射作用，相干散射作用，形成光子禁带光子禁带 主要散射？主要散射？光子禁带:1396nm2019nm处1.1 1.1 光子晶体基本原理光子晶体基本原理光子局域光子局域光子晶体的重要特性 如果破坏光子晶体的周期性结构，便形成不完全的光子禁带晶体，就可使原来的禁带中出现允许态允许态缺陷缺陷点缺陷和线缺陷点缺陷和线缺陷点缺陷点缺陷可以完全限制光子不能向任何一个方向传播线缺陷线缺陷使

4、得与其频率相符的光子被局域在线缺陷方向传播 这就相当于引人了一个光子晶体波导破坏介质周期结构，引入缺陷破坏介质周期结构，引入缺陷1.2 1.2 光子晶体波导光子晶体波导引入缺陷引入缺陷波长选择性波长选择性 频率在光子带隙光子带隙（禁带）内的光被禁止传输，而在光子局域光子局域，由于存在缺陷，对应波长的光能传输基底为空气基底为空气砷化镓柱子砷化镓柱子COMSOL Multiphysics： 多物理场直接耦合分析软件滤波器滤波器1.2 1.2 光子晶体波导光子晶体波导硬化的二氧化硅胶凝体81. 3 1. 3 光子晶体分类光子晶体分类按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为一维光子晶体

5、：光纤光栅二维光子晶体：光子晶体光纤三维光子晶体：蛋白石91.4 1.4 光子晶体的应用光子晶体的应用2.2.光子晶体光纤光子晶体光纤(Photonic Crystal (Photonic Crystal Fibers)Fibers)光子晶体光纤光子晶体光纤（PCFPCF）又被称为）又被称为微结构微结构光纤（光纤（MSFMSF）或）或多孔多孔光纤光纤 包层中有许多周期性排列的空气孔，折射率呈周期性分布，在沿着光信号传输的方向上，折射率保持不变，形成了二维光子晶体结构。类似于蜂窝或莲藕的结构不同结构的光子晶体光纤有光子晶体的相关性质尺寸光波长的量级空气柱2.1 2.1 光子晶体光纤分类光子晶体光

6、纤分类按导光机制分：按导光机制分：按结构分类：按结构分类：u实心的光子晶体光纤u空心的光子晶体光纤u全内反射型的光子晶体光纤(TIR-PCF ）u光子带隙型的光子晶体光纤(PBG-PCF）2.2 2.2 全内反射型光子晶体全内反射型光子晶体TIR-PCF TIR-PCF 全内反射型全内反射型TIR-PCF TIR-PCF 纤芯部分材质为二氧化硅材料 包层中空气柱（掺杂棒）周期排列实心的PCF都是TIR-PCFTIR-PCF吗？吗？ 2.2 2.2 全内反射型光子晶体全内反射型光子晶体TIR-PCF TIR-PCF TIR 型 PCF 并不是严格意义上的依靠能带理论导光的光纤导光机制与传统光纤传

7、统光纤类似空气折射率为n0纤芯折射率为n1包层的等效折射率为n2 2.4 2.4 光子带隙型光子晶体光纤光子带隙型光子晶体光纤PBG-PCFPBG-PCF是由低折射率的空气孔来充当光纤的纤芯，包层的有效折射率相对较高。当光信号入射到纤芯与包层的交界处时，实际是由光疏介质光疏介质入射到光密介质光密介质，因此其导光机制不能用全反射理论解释。这种光纤是应用一种全新的理论来导光，即光子带隙理论光子带隙理论PBG 型型 PCF 的特点：的特点：2.4 2.4 光子带隙型光子晶体光子带隙型光子晶体PBG-PCFPBG-PCF由于包层是由一系列分布均匀的空气孔组成，这种周期性结构就会产生能带结构，能带间存在

8、光子带隙。破坏纤芯位置的空气孔，相当于破坏了原始的周期结构，在纤芯位置引入了缺陷（光子局域）此类型的光纤中，光信号实际是在空气介质中沿波导方向传输，162.4 2.4 光子带隙型光子晶体光子带隙型光子晶体PBG-PCFPBG-PCF 带隙型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤的全内反射原理不同，光能量只能被局限在缺陷之中传播，因此这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在弯曲，曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以极大地降低弯曲损辑，提高弯曲状态下的传光能量效率。2.5 2.5 光子晶体光纤的特性光子晶体光纤的特性无截止的单模传输特性色散可控高双折射大数值孔径在一定的结构下，从可见光到红外光的

9、宽光谱范围内都能实现单模传输。改变光子晶体光纤空气孔的排列和几何尺寸，可设计出具有多种不同色散色散特性的光子晶体光纤。（零色散）PCF的折射系数比较大，比常规光纤高出1个量级通过提高包层中空气的占空比， 光子晶体光纤的数值孔径可以达到0.9，这与传统单模光纤的数值孔(0.10.2)相比要大得多。 光子晶体光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤PCFPCF的特性的特性3. 3. 总结总结01光开关02光放大器03传感器04光纤光栅05光子晶体光纤激光器2.6 2.6 光子晶体光纤的应用光子晶体光纤的应用 由于光子晶体光纤结构设计灵活，人们可以根据不同的需求改变其结构，设计出具有不同光学特性的光器件参考文献参考文献1. 光子带隙光纤的理论和实验研究 徐博2. 光子