光子晶體光纖

1、關于光子晶體光纖現(xiàn)在學習的是第一頁，共22頁主要內容 歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀 基本概念基本概念 光子晶體光纖的色散特性研究光子晶體光纖的色散特性研究 總結總結 現(xiàn)在學習的是第二頁，共22頁一一 歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀 光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，這種光纖通常由單一介質構成并由在二維方向上緊密排列而在軸向保持結構不變的波長量級的空氣孔構成微結構包層。光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現(xiàn)的特性，因而受到了廣泛關注并成為近年來光學與光電子學研究的一個熱點。現(xiàn)在學習的是第三頁，共22頁不同結構的光子晶體光纖不同結構的光子晶體光纖ACDEGI現(xiàn)在學習的是第四

2、頁，共22頁研究成果研究成果1996年,英國南安普頓大學光電研究中心和丹麥技術大學電磁系首先成功制備出 PCF。2001年,英國 Bath大學 Wads worth等人實現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結構。2003年 1月 ,Wads worth等人利用大模面積空氣包層 PCF研制的高功率 PCF激光器2004年,Blaze曾發(fā)布了一款新型 PCF，可產生超連續(xù)光譜 ,這種光譜可在單模光纖中產生一個寬帶輸出 ,光譜亮度超過太陽 10000倍2005年,英國 Bath大學 A. Ortigosa和 B lanch等人用 200fs的泵浦脈沖在 PCF中產生了超連續(xù)譜2006年,澳大利亞悉尼大學的 A.

3、Argyr os等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導光子帶隙光纖2007年,張明明、 馬秀榮等人設計了一種高雙折射光子晶體光纖現(xiàn)在學習的是第五頁，共22頁二二 基本概念基本概念1 1 光子晶體光子晶體2 2 光子晶體光纖光子晶體光纖現(xiàn)在學習的是第六頁，共22頁光子晶體光子晶體光子晶體是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。在周期性介質中，電場E滿足麥克斯韋波動方程 2221022()( )EEr EEcc (2-1)在周期性勢場中，電子的波函數(shù) 滿足薛定愕方程： 2( )2ehVrEm (2-2)可以看出，方程(2-1)與(2-2)的形式完全相似. 在周期性勢場中只能取本征值，因此， 在周

4、期性介電晶體中也只能取某些特征值eE202c現(xiàn)在學習的是第七頁，共22頁光子晶體光纖光子晶體光纖 光子晶體光纖又名微結構光纖(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纖 (Holeyfiber，HF)，它通過包層中沿軸向排列的微小空氣孔對光進行約束，從而實現(xiàn)光的軸向傳輸。獨特的波導結構，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無可比擬的傳輸特性。現(xiàn)在學習的是第八頁，共22頁光子晶體光纖的導光原理光子晶體光纖的導光原理 全內反射型全內反射型 PCF導光原理導光原理 周期性缺陷的纖芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包層折射率 (空氣 ) ,從而使光能夠在纖芯中傳播

5、. 光子帶隙型光子帶隙型 PCF導光機理導光機理 在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低 ,但仍能保證光不折射出去. 現(xiàn)在學習的是第九頁，共22頁光子晶體光纖的主要特性光子晶體光纖的主要特性 a.無截止單模b.靈活的色度色散c.良好的非線性效應 d.高雙折射效應 現(xiàn)在學習的是第十頁，共22頁三三 光子晶體光纖的色散特性研究光子晶體光纖的色散特性研究1 1 色散及其原理色散及其原理 2 2 光子晶體光纖色散光子晶體光纖色散 3 3 光子晶體光纖色散補償研究光子晶體光纖色散補償研究 現(xiàn)在學習的是第十一頁，共22頁色散及其原理色散及其原理 色散是由于光纖中所傳送信號的不

6、同頻率成分或不同模式成分的群速度不同 ,而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。 在光纖中 ,脈沖色散越小 ,它所攜帶的信息容量就越大。脈沖在單模光纖中的傳輸基本方程為：23232310z26AiAATT(3-1)221/pskm當 時， 可忽略不計。求解方程得： 3221( ,)(0,) exp22iA z TAzi T d(3-2)單模光纖單位長度的色散量可以由下式得出： 2222()dnnd V bVcdcd (3-3)現(xiàn)在學習的是第十二頁，共22頁 式中 , c為光速;V 為光纖傳輸?shù)臍w一化頻率; b為歸一化傳輸常數(shù)。式(3-3)等號右邊第 1 項決定于材料折射率,稱之為材料色散;第2項由于

7、與光纖波導性能有關, 稱之為波導色散。普通單模光纖在1550 nm 窗口的色度色散系數(shù)約為16 ps/ (nm km) ,傳輸 100 km 后色散可達到1600 ps/ nm。而對于10 Gbit / s系統(tǒng),它的最大色散容限是1 000 ps/ nm?，F(xiàn)在學習的是第十三頁，共22頁光子晶體光纖色散光子晶體光纖色散與傳統(tǒng)光纖在可見光波段呈現(xiàn)正常色散不同，光子晶體光纖由于包層的空氣孔結構使得芯層和包層的折色率之差增大，從而極大的增強了波導色散的作用，使得波導色散可以為反常色散. 現(xiàn)在學習的是第十四頁，共22頁此外通過結構的改變，很容易將光子晶體光纖的零色散點調至到所需要的波長。通過適當設計空氣

8、孔的參數(shù)，還可以在極寬的波段內具有平坦色散且寬帶平坦色散曲線的中心波長可移。具有平坦色散的光子晶體光纖現(xiàn)在學習的是第十五頁，共22頁光子晶體光纖色散補償研究光子晶體光纖色散補償研究 近年來，隨著高速光通信系統(tǒng)的發(fā)展，對系統(tǒng)進行色散補償和色散管理越發(fā)必要。目前的色散補償技術有惆啾光纖光柵，色散補償濾波器，高階模光纖和已經商用的色散補償光纖。隨著光子晶體光纖的提出，由于其結構設計靈活可控，光子晶體光纖成為研制新型色散補償光纖的一個重要手段?，F(xiàn)在學習的是第十六頁，共22頁色散補償原理色散補償原理 用下標1代表待補償光纖，下標2代表色散補償光纖.L代表光纖長度，D為色散系數(shù)，S代表色散斜率.在某一波長

9、處，色散補償?shù)臈l件為:122211( )( )( )( )LDSLDS 將D和S寫成波長 的函數(shù)，為的是強調色散系數(shù)和色散斜率均是該波長處的相應值。由(3-4)式可定義一個新的參數(shù)，稱為相對色散斜率： (3-4)( )( )( )SKD(3-5)當兩種光纖的相對色散斜率在該波長處相等時，該波長處的色散可被完全地補償 現(xiàn)在學習的是第十七頁，共22頁色散補償光子晶體光纖色散補償光子晶體光纖 光子晶體光纖在色散補償方面蘊藏著巨大潛力，國內外對光子晶體光纖色散補償特性做了大量的數(shù)值研究。到目前為止，色散補償光子晶體光纖的設計主要是通過改變空氣孔的大小和排列順序，或者通過摻雜纖芯來實現(xiàn) 理論設計的色散補償光子晶體光纖的橫截面示意圖 等效折射率分布 現(xiàn)在學習的是第十八頁，共22頁色散補償光子晶體光纖的色散曲線圖 注意到該光纖是基于純二氧化硅材料設計，沒有任何摻雜，可實現(xiàn)的色散值要比傳統(tǒng)摻雜的DCF要高得多。這充分說明了色散補償光子晶體光纖的色散潛力 現(xiàn)在學習的是第十九頁，共22頁四四 總結總結 光子晶體光纖的出現(xiàn)對于光纖及光纖通信光纖器件等領域是一個重大的突破。由于具有普通光纖所不具有的優(yōu)點，光子晶體光纖將會有非常廣泛的應用前景，比如說超寬色散補償、光開關、光纖傳感、大功率光子晶體光纖激光器和非線性光學等等。但目前就光子晶體光纖來說，離廣泛使用還需要進行深入的研究。我們