光子晶體與光子晶體光纖

1、1專業(yè)：專業(yè)： 通信與信息系統(tǒng)通信與信息系統(tǒng)姓名：姓名： 潘金全潘金全學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 14340410061434041006 題目：題目：光子晶體與光子晶體光纖光子晶體與光子晶體光纖21 1、光子晶體、光子晶體1.1光子晶體的基本原理1.2光子晶體分類1.3光子晶體波導(dǎo)1.4光子晶體的應(yīng)用2 2、光子晶體光纖、光子晶體光纖2.1 光子晶體光纖分類2.2 全反射型光子晶體光纖2.3光子帶隙行光子晶體光纖2.4 光子晶體光纖的特性2.5光子晶體光纖的應(yīng)用3 3、總結(jié)、總結(jié)31 1、光子晶體（、光子晶體（Photonic CrystalPhotonic Crystal）19871987年，年，S.J

2、ohnS.John和和E.YablonovitchE.Yablonovitch同時(shí)提出；同時(shí)提出；1991 1991 年，年，E. E. YablonovitchYablonovitch 制作出第一個(gè)光子晶體；制作出第一個(gè)光子晶體；通過(guò)微加工獲得的通過(guò)微加工獲得的2D2D光子晶體光子晶體說(shuō)明：光子晶體是一種在微米、亞微米的介質(zhì)材料，其晶格尺度和光的波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)如：對(duì)于光通信波段（波長(zhǎng)1.55m），要求光子晶體的晶格在 0.5m左右1.11.1光子晶體基本原理光子晶體基本原理光子晶體：光子晶體： 由不同折射率的介質(zhì)，周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。 固體物理：原子是周期性排列固體物理：原子是

3、周期性排列光子晶體：介質(zhì)是周期性排列光子晶體：介質(zhì)是周期性排列空間上，折射率是周期性變化的空間上，折射率是周期性變化的光子帶隙（禁帶）光子帶隙（禁帶）一光子晶體最根本的特征 電磁波在折射率周期性變化的介質(zhì)中傳播時(shí)，由于相干散射作用，相干散射作用，形成光子禁帶光子禁帶 主要散射？主要散射？光子禁帶:1396nm2019nm處1.1 1.1 光子晶體基本原理光子晶體基本原理光子局域光子局域光子晶體的重要特性 如果破壞光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)，便形成不完全的光子禁帶晶體，就可使原來(lái)的禁帶中出現(xiàn)允許態(tài)允許態(tài)缺陷缺陷點(diǎn)缺陷和線缺陷點(diǎn)缺陷和線缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷可以完全限制光子不能向任何一個(gè)方向傳播線缺陷線缺陷使

4、得與其頻率相符的光子被局域在線缺陷方向傳播 這就相當(dāng)于引人了一個(gè)光子晶體波導(dǎo)破壞介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)，引入缺陷破壞介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)，引入缺陷1.2 1.2 光子晶體波導(dǎo)光子晶體波導(dǎo)引入缺陷引入缺陷波長(zhǎng)選擇性波長(zhǎng)選擇性 頻率在光子帶隙光子帶隙（禁帶）內(nèi)的光被禁止傳輸，而在光子局域光子局域，由于存在缺陷，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光能傳輸基底為空氣基底為空氣砷化鎵柱子砷化鎵柱子COMSOL Multiphysics： 多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件濾波器濾波器1.2 1.2 光子晶體波導(dǎo)光子晶體波導(dǎo)硬化的二氧化硅膠凝體81. 3 1. 3 光子晶體分類光子晶體分類按照光子晶體的光子禁帶在空間中所存在的維數(shù)，可以將其分為一維光子晶體

5、：光纖光柵二維光子晶體：光子晶體光纖三維光子晶體：蛋白石91.4 1.4 光子晶體的應(yīng)用光子晶體的應(yīng)用2.2.光子晶體光纖光子晶體光纖(Photonic Crystal (Photonic Crystal Fibers)Fibers)光子晶體光纖光子晶體光纖（PCFPCF）又被稱為）又被稱為微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)光纖（光纖（MSFMSF）或）或多孔多孔光纖光纖 包層中有許多周期性排列的空氣孔，折射率呈周期性分布，在沿著光信號(hào)傳輸?shù)姆较蛏?，折射率保持不變，形成了二維光子晶體結(jié)構(gòu)。類似于蜂窩或蓮藕的結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖有光子晶體的相關(guān)性質(zhì)尺寸光波長(zhǎng)的量級(jí)空氣柱2.1 2.1 光子晶體光纖分類光子晶體光

6、纖分類按導(dǎo)光機(jī)制分：按導(dǎo)光機(jī)制分：按結(jié)構(gòu)分類：按結(jié)構(gòu)分類：u實(shí)心的光子晶體光纖u空心的光子晶體光纖u全內(nèi)反射型的光子晶體光纖(TIR-PCF ）u光子帶隙型的光子晶體光纖(PBG-PCF）2.2 2.2 全內(nèi)反射型光子晶體全內(nèi)反射型光子晶體TIR-PCF TIR-PCF 全內(nèi)反射型全內(nèi)反射型TIR-PCF TIR-PCF 纖芯部分材質(zhì)為二氧化硅材料 包層中空氣柱（摻雜棒）周期排列實(shí)心的PCF都是TIR-PCFTIR-PCF嗎？嗎？ 2.2 2.2 全內(nèi)反射型光子晶體全內(nèi)反射型光子晶體TIR-PCF TIR-PCF TIR 型 PCF 并不是嚴(yán)格意義上的依靠能帶理論導(dǎo)光的光纖導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖傳

7、統(tǒng)光纖類似空氣折射率為n0纖芯折射率為n1包層的等效折射率為n2 2.4 2.4 光子帶隙型光子晶體光纖光子帶隙型光子晶體光纖PBG-PCFPBG-PCF是由低折射率的空氣孔來(lái)充當(dāng)光纖的纖芯，包層的有效折射率相對(duì)較高。當(dāng)光信號(hào)入射到纖芯與包層的交界處時(shí)，實(shí)際是由光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)光密介質(zhì)，因此其導(dǎo)光機(jī)制不能用全反射理論解釋。這種光纖是應(yīng)用一種全新的理論來(lái)導(dǎo)光，即光子帶隙理論光子帶隙理論P(yáng)BG 型型 PCF 的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：2.4 2.4 光子帶隙型光子晶體光子帶隙型光子晶體PBG-PCFPBG-PCF由于包層是由一系列分布均勻的空氣孔組成，這種周期性結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生能帶結(jié)構(gòu)，能帶間存在

8、光子帶隙。破壞纖芯位置的空氣孔，相當(dāng)于破壞了原始的周期結(jié)構(gòu)，在纖芯位置引入了缺陷（光子局域）此類型的光纖中，光信號(hào)實(shí)際是在空氣介質(zhì)中沿波導(dǎo)方向傳輸，162.4 2.4 光子帶隙型光子晶體光子帶隙型光子晶體PBG-PCFPBG-PCF 帶隙型光子晶體光纖的導(dǎo)光機(jī)制與傳統(tǒng)光纖的全內(nèi)反射原理不同，光能量只能被局限在缺陷之中傳播，因此這種光纖允許出現(xiàn)大于直角的光路彎曲，甚至可以在彎曲，曲率半徑小于波長(zhǎng)的條件下傳播，因而可以極大地降低彎曲損輯，提高彎曲狀態(tài)下的傳光能量效率。2.5 2.5 光子晶體光纖的特性光子晶體光纖的特性無(wú)截止的單模傳輸特性色散可控高雙折射大數(shù)值孔徑在一定的結(jié)構(gòu)下，從可見(jiàn)光到紅外光的

9、寬光譜范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。改變光子晶體光纖空氣孔的排列和幾何尺寸，可設(shè)計(jì)出具有多種不同色散色散特性的光子晶體光纖。（零色散）PCF的折射系數(shù)比較大，比常規(guī)光纖高出1個(gè)量級(jí)通過(guò)提高包層中空氣的占空比， 光子晶體光纖的數(shù)值孔徑可以達(dá)到0.9，這與傳統(tǒng)單模光纖的數(shù)值孔(0.10.2)相比要大得多。 光子晶體光子晶體光子晶體光纖光子晶體光纖PCFPCF的特性的特性3. 3. 總結(jié)總結(jié)01光開(kāi)關(guān)02光放大器03傳感器04光纖光柵05光子晶體光纖激光器2.6 2.6 光子晶體光纖的應(yīng)用光子晶體光纖的應(yīng)用 由于光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，人們可以根據(jù)不同的需求改變其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出具有不同光學(xué)特性的光器件參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1. 光子帶隙光纖的理論和實(shí)驗(yàn)研究 徐博2. 光子