《光纖光學(xué)教學(xué)課件》第二十講教學(xué)課件

1、第八章 光子晶體光纖8/20/2022第1頁，共20頁。發(fā)展歷史John TyndallGlass rod light guideE. CurtissCladded optical fiberSolid-core photonic crystal fiberAir-guiding photonic crystal fiber1870年1870+年1956年P(guān). Russellet al.silicaair2019年silicaair2019年8/20/2022第2頁，共20頁。光子晶體光纖 vs 傳統(tǒng)光纖傳統(tǒng)階躍折射率光纖（SIOF）： 由兩種均勻材料構(gòu)成，依靠纖芯摻雜實現(xiàn)光子晶體光纖（PCF

2、）： 把微米級甚至納米級微結(jié)構(gòu)引入光纖剖面設(shè)計中，依靠微結(jié)構(gòu)不同于一般均勻材料的色散、能帶等特性。 整個光纖的外徑通常和商用普通光纖保持一致，為125m 導(dǎo)光基本原理：PCF中空氣孔排列組成的光纖包層的有效折射率低于纖芯的折射率，而光總是趨向存在于高折射率材料中，因此光波可以被束縛在芯層里。 8/20/2022第3頁，共20頁。光子晶體光纖的類型折射率導(dǎo)光型光子晶體光纖空心光子帶隙光纖8/20/2022第4頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCFd代表孔的直徑，代表孔與孔的間距，d/為包層多孔結(jié)構(gòu)的占空比。包層的等效折射率受d和影響，折射率導(dǎo)光型PCF的很多特性都可通過改變d和的大小來調(diào)節(jié)。d和通常與

3、工作波長在一個量級上。其包層的每個孔洞的大小及形狀又可以不一樣，甚至每兩個相鄰孔洞的間距也可以不一樣。這些因素大大增加了此類PCF設(shè)計的自由度。8/20/2022第5頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCF的模式 由于PCF不具備普通SIOF光纖的理想圓對稱性，所有的模式都屬混合模式，即不存在純TE或TM模式 。若PCF包層微結(jié)構(gòu)的占空比較高，則除基模外的高階模式也存在。具較小占空比的PCF只支持基模傳播 。基模二階模8/20/2022第6頁，共20頁。比較普通SIOF的導(dǎo)波特性是通過調(diào)節(jié)纖芯直徑以及芯、包層折射率差來實現(xiàn)的。其中，調(diào)節(jié)石英玻璃的折射率需要復(fù)雜的摻雜工藝。PCF導(dǎo)光特性的控制可以僅依賴

4、于結(jié)構(gòu)上的調(diào)節(jié)。理論上，通過改變IG-PCF的包層空氣孔尺寸，包層的有效折射率可以為11.45之間的任意一值。這樣的調(diào)節(jié)范圍遠突破了常規(guī)光纖中依靠纖芯摻雜所能達到的極限。 8/20/2022第7頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCF特點無截止單模特性(滿足d/ =0.4)大模場尺寸 /小模場尺寸 色散可調(diào)特性 （調(diào)節(jié)d,等，無須摻雜)應(yīng)用色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)非線性光學(xué) （高非線性，超連續(xù)譜）多芯光纖 有源光纖器件（雙包層PCF有效束縛泵浦光）光纖傳感 8/20/2022第8頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCF無截止單模特性 當(dāng)減小，ncl變大,nco保持不變無截止單模特性

5、V2.405實芯多孔光纖新奇特性之一8/20/2022第9頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCF的色散控制孔洞尺寸對折射率導(dǎo)光光纖群速度色散的影響。4m，d/0.40、0.35、0.30、0.258/20/2022第10頁，共20頁。空心光子帶隙PCF光子帶隙（Photonics Band Gap，簡稱PBG）光子晶體光纖(PBG-PCF) 的導(dǎo)光機制： 將光波限制在纖芯內(nèi)傳播的原理并不是因為其包層的有效折射率比芯層低，而是因為光在由芯層材料中以某個角度入射至包層微結(jié)構(gòu)材料時，包層周期性結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生多重散射，多重散射形成的干涉減弱將導(dǎo)致光無法通過包層微結(jié)構(gòu)材料，從而使光返回到芯層中。8/20/2022

6、第11頁，共20頁。PBG-PCF的模式分布8/20/2022第12頁，共20頁。PBG-PCF導(dǎo)光機理對某一特定傳播常數(shù)或者neff，如果光的頻率或者波長（對應(yīng)光子能量）位于包層微結(jié)構(gòu)的光子帶隙之中，則光就受該包層排斥，因此光將被局限在芯層中并在芯層中傳播 應(yīng)用光子晶體理論可以直接求得包層周期性微結(jié)構(gòu)的光子能帶及帶隙8/20/2022第13頁，共20頁。空心帶子帶隙光纖特點易耦合性，無菲涅耳反射 低彎曲損耗特性低材料吸收損耗、低非線性 特殊的波導(dǎo)色散 應(yīng)用非線性閾值以及損傷閾值高，高功率導(dǎo)光 光纖傳感 氣體光學(xué) 8/20/2022第14頁，共20頁。堆積法拉制備光子晶體光纖8/20/2022

7、第15頁，共20頁。鉆孔法制備塑料光子PCF預(yù)制棒 8/20/2022第16頁，共20頁。折射率導(dǎo)光型PCF的傳感特性源于多孔微結(jié)構(gòu)的存在，PCF最初被認為是探測氣體或液體的理想波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣體或液體擴散到折射率導(dǎo)光型PCF的孔洞里時，會通過孔洞內(nèi)的消逝場與光纖模式發(fā)生反應(yīng)。通過測量氣體或液體對光的吸收而發(fā)生的模場損耗，可以進行氣體或液體探測。不過這種的探測方法也存在一些缺陷，其中之一就是任何一種氣體或液體都需要一段時間來充分擴散到PCF微米量級的孔洞內(nèi)，從而影響了探測的反應(yīng)時間。 PCF還可利用表面增強拉曼散射效應(yīng)（Surface-Enhanced Raman Scattering，簡稱SERS ）來對一些物質(zhì)進行探測 。8/20/2022第17頁，共20頁。氣體和液體探測乙炔氣體吸收譜光子晶體光纖氣體檢測實驗方案8/20/2022第18頁，共20頁。增強拉曼效應(yīng)（SERS）PCF的孔洞內(nèi)壁被鍍上一層金屬膜（常用為金、銀）或金屬顆?？锥磧?nèi)壁的光場會因為金屬膜或顆粒支持表面等離子波的緣故被大幅度放大在輸出頻譜上出現(xiàn)的新的拉曼譜線可用來確定被探測物質(zhì)的化學(xué)成份放大的電磁場與附著在孔洞內(nèi)壁被探測物質(zhì)繼而產(chǎn)生很明顯的拉曼非線性效應(yīng)生物分子檢測癌癥檢測等8/20/2022第19頁，共20頁。光子帶隙導(dǎo)光PCF的傳感特性空芯光子帶隙PCF