光子晶體光纖-(PCF)課件

光子晶體光纖

(PCF)主要內(nèi)容光子晶體結(jié)構(gòu)原理：光子帶隙基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)光子晶體光纖（PCF）PCF激光器1光子晶體E.Yablonovitch和S.John在1987年分別獨(dú)立地提出了光子晶體的概念光子晶體是介電常數(shù)在空間呈周期性排列形成的人工結(jié)構(gòu)。所謂晶體就是針對(duì)這種“周期性”而言的。根據(jù)“周期性”的維數(shù)，光子晶體也分為一維、二維和三維的1.1結(jié)構(gòu)下圖是不同維數(shù)光子晶體的模型和實(shí)例光子晶體里重復(fù)結(jié)構(gòu)（或稱晶胞）的單元尺度是光波長（μm）量級(jí)。通過巧妙的安排和設(shè)計(jì)光子晶體可以控制光子流第一塊光子晶體1991年，Yablonovich制作了第一塊光子晶體。他所采用的方法是在折射率為3.6的材料上用機(jī)械方法鉆出許多直徑為1mm的孔，并呈周期性分布。這種材料從此被稱為“Yablonovich”，它可以阻止里面的微波從任何方向傳播出去。自然界中的光子晶體結(jié)構(gòu)1.2光子帶隙基礎(chǔ)理解光波在光子晶體中的傳播行為的最簡單方法，就是把它與半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴的運(yùn)動(dòng)作一比較能量E導(dǎo)帶禁帶由缺陷或雜質(zhì)在禁帶中引起的能級(jí)在半導(dǎo)體禁帶中由缺陷或雜質(zhì)引起的能級(jí)分布圖當(dāng)光子穿過一塊含有一些排列成晶格結(jié)構(gòu)的細(xì)微空氣孔的透明介電材料時(shí)，這種光學(xué)結(jié)構(gòu)是帶有空氣孔的低折射率區(qū)域散布在高折射率區(qū)中。對(duì)光子來說，這種折射率的差異，就像是電子穿越硅晶體的周期電勢(shì)的經(jīng)歷。如果兩個(gè)區(qū)域的折射率差異較大，那么光波將被限制在電介質(zhì)材料或空氣孔內(nèi)。這一限制引起了在禁區(qū)中容許能量區(qū)的形成——稱為光子帶隙（photonicbandgap,PBG）可以通過布拉格反射來理解光子帶隙的概念dλθ當(dāng)波長和周期結(jié)構(gòu)的尺寸滿足布拉格條件λ~2d

時(shí)，該周期結(jié)構(gòu)將反射入射波。其中d為周期常數(shù)。若有一束平面波入射到晶體上，大多數(shù)波長λ

的光波在晶體中傳播時(shí)不被散射，而當(dāng)λ

~

2d

時(shí)，由于布拉格反射，光波無法在晶體中傳播。即，某個(gè)波長范圍的光子在這種結(jié)構(gòu)中不能占據(jù)一個(gè)能量狀態(tài)。這些光子在該結(jié)構(gòu)中是被禁止的，不能傳播。這就是光子帶隙PBG。帶隙ωk1.3優(yōu)點(diǎn)Ⅰ光子晶體波導(dǎo)具有優(yōu)良的彎曲效應(yīng)

一般的光纖波導(dǎo)中，波導(dǎo)拐彎時(shí)，全內(nèi)反射條件不再有效，會(huì)漏掉部分光波能量，使傳輸效率降低。而光子晶體彎曲波導(dǎo)中，利用不同方向缺陷模共振匹配原理。原則上只要達(dá)到模式匹配，不管拐多大彎，都能達(dá)到很高的傳輸效率。光子晶體可控制光子的運(yùn)動(dòng)，是光電集成、光子集成、光通信的一種關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。1.3優(yōu)點(diǎn)Ⅱ能量傳輸基本無損失，也不會(huì)出現(xiàn)延遲等影響數(shù)據(jù)傳輸率的現(xiàn)象光子晶體制成的光纖具有極寬的傳輸頻帶，可全波段傳輸1.4應(yīng)用光子晶體的光子帶隙的存在使它具有很重要的應(yīng)用背景?？梢灾谱魅略砘蛞郧八荒苤谱鞯母咝阅芷骷咝阅芊瓷溏R頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中轉(zhuǎn)播，因此，選擇沒有吸收的介電材料制成的光子晶體可以反射從任何方向入射的光，反射率幾乎為100%

而傳統(tǒng)的金屬反射鏡雖然在較大的波段內(nèi)可以反射光，但在紅外波段有較大的吸收如果把這種光子晶體反射鏡用作平面天線的襯底，可以解決襯底透射的問題光子晶體波導(dǎo)傳統(tǒng)的介電波導(dǎo)可以支持直線傳播光，但在拐角處會(huì)損失能量光子晶體波導(dǎo)不僅對(duì)直線路徑，而且對(duì)轉(zhuǎn)角都有很高的效率這對(duì)于光學(xué)器件的集成非常有意義光子晶體微腔在光子晶體中引入缺陷可能在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷態(tài)這種缺陷態(tài)具有很大的態(tài)密度和品質(zhì)因子，這種光子晶體制成的微腔比傳統(tǒng)的微腔優(yōu)異得多用它制作的微腔激光器的體積可以非常小光子晶體光纖在傳統(tǒng)的光纖中，光在中心的氧化硅纖芯里傳播通常采取摻雜的辦法提高其折射系數(shù)，以增加傳輸效率，但不同的摻雜物只能對(duì)一種頻率的光有效英國Bath大學(xué)的研究人員用幾百個(gè)傳統(tǒng)氧化硅棒和氧化硅毛細(xì)管一次綁在一起組成六角陣列，在2000度高溫下燒結(jié)后制成了二維光子晶體光纖。在光纖的中心可以人為地引入空氣孔作為導(dǎo)光通道，也可以用固體硅作為導(dǎo)光介質(zhì)——

PCF光子晶體光纖在兩個(gè)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的光纖在很寬的頻率范圍內(nèi)支持單模運(yùn)行可以傳輸更大功率光子晶體超棱鏡常規(guī)的棱鏡難以分開波長相近的光用光子晶體制成的超棱鏡，分光的能力比常規(guī)棱鏡大100到1000倍，而體積只有常規(guī)棱鏡的百分之一大小這對(duì)光通信中的信息處理有很重要的意義光子晶體偏振器用二維光子晶體制作的偏振器具有傳統(tǒng)的偏振器沒有的優(yōu)點(diǎn)工作頻率范圍大體積小易于集成，很容易在硅片上集成或在硅基上制成光子晶體還有許多其它應(yīng)用背景，如無閾值激光器、光開關(guān)、光放大、濾波器等新型器件隨著對(duì)光子晶體的許多新的物理現(xiàn)象的深入了解和光子晶體制作技術(shù)的改進(jìn)，光子晶體更多的用途將會(huì)被發(fā)現(xiàn)2光子晶體光纖(PCF)一些研究者將光子晶體用于光波導(dǎo)，并在1992年提出了光子晶體光纖的概念在1996年光纖通信會(huì)議(OFC)上，發(fā)布了實(shí)用樣品“無限長的單模光子晶體光纖”其制作是用具有內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的充滿空氣的毛細(xì)管拉制而成光纖，最終形成六角形晶格2.1特性將光纖和光子晶體的特性相結(jié)合，可以得到傳統(tǒng)光纖達(dá)不到的一系列獨(dú)特性質(zhì)具有非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)原則：為了得到單模運(yùn)轉(zhuǎn)，要受到限定芯徑，模的截止波長，有限的材料選擇（芯材玻璃與包層材玻璃的熱特性必須相同）等方面的限制有兩個(gè)基本特性與傳統(tǒng)光纖十分不同兩個(gè)基本特性微結(jié)構(gòu)的二維特性兩種物質(zhì)相（石英和空氣）的折射率對(duì)比度比傳統(tǒng)光纖技術(shù)中的對(duì)比度高約2個(gè)數(shù)量級(jí)傳統(tǒng)光纖局限于非常小的芯區(qū)與包層的折射率差（約1.48:1.46）；而PCF中，這種折射率差非常大（約1.00:1.46），并且可以任意組合以適應(yīng)特殊應(yīng)用2.2兩種光子晶體光纖結(jié)構(gòu)中心缺一個(gè)氣孔，為實(shí)芯中心為大的氣孔高折射率導(dǎo)波光纖類似于標(biāo)準(zhǔn)的全內(nèi)反射傳導(dǎo)，根據(jù)修正的全內(nèi)反射原理，在實(shí)心中傳導(dǎo)光波低折射率導(dǎo)波光纖——光子帶隙型光纖由光子帶隙效應(yīng)傳導(dǎo)光波光子帶隙效應(yīng)使光波不可能在微結(jié)構(gòu)包層區(qū)傳播，只能沿低折射率的芯傳播由于有一定角度的光子帶隙結(jié)構(gòu)阻止了其他模的傳輸，所以可以得到單模傳輸紅色區(qū)域：高折射率介質(zhì)藍(lán)色區(qū)域：低折射率介質(zhì)白色區(qū)域：空氣2.3

PCF的制作1mm20mm0.1mm1800℃SEMmicrographsofPCF直徑5μm4μmfromPCF制作的技術(shù)難題因?yàn)橐刂茰囟群屠焖俣鹊群暧^參數(shù)來得到微觀尺寸的結(jié)構(gòu)，制作滿足所要求的傳輸特性的PCF是一個(gè)相當(dāng)困難的技術(shù)問題變形氣孔的存在多余孔的出現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的偏離2.4光子晶體光纖特性光子晶體光纖具有新穎而有趣的光學(xué)特性，其新穎性包括：可見光波段的反常色散全波段的單模傳輸很高的光學(xué)非線性下面分別討論兩種光子晶體光纖的性質(zhì)Ⅰ折射率導(dǎo)波型PCF的特性可以用有效折射率模型定性地理解折射率導(dǎo)波型PCF的基本性質(zhì)，如圖實(shí)心的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)等價(jià)的傳統(tǒng)光纖結(jié)構(gòu)普通光纖的芯區(qū)和包層折射率之差對(duì)于不同頻率是常數(shù)；但對(duì)于PCF，短波長的光能夠更有效地避開氣孔，因此其包層有效折射率在短波長極限處更接近于基質(zhì)材料的折射率。對(duì)于上圖所示的石英光纖，如果氣孔直徑和氣孔間距的比值小于0.4，則光纖對(duì)于所有波長都是單模的，這一點(diǎn)在常規(guī)光纖中是無法實(shí)現(xiàn)的。寬波長范圍的單模運(yùn)轉(zhuǎn)普通光纖，導(dǎo)模數(shù)目由V

參數(shù)決定，在長波長是單模運(yùn)轉(zhuǎn)的光纖，在短波長事實(shí)上是多模的PCF可以在337~1555nm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)這是因?yàn)?，有效折射率可以看作是包層的平均折射率，同時(shí)要考慮光在包層中的強(qiáng)度分布；在短波長光場(chǎng)較集中于SiO2區(qū)，避開了氣孔區(qū)，這樣就提高了有效折射率，降低了V對(duì)波長的依賴關(guān)系，從而有可能擴(kuò)展單模運(yùn)轉(zhuǎn)的波長范圍對(duì)前面的例子，只要d/Λ<0.45，就能在所有波長下單模運(yùn)轉(zhuǎn)PCF的色散控制由于石英和空氣的折射率對(duì)比度很大，氣孔的大小和排列方式可以靈活地變化，和普通光纖相比，PCF能夠在更大的范圍內(nèi)對(duì)色散進(jìn)行控制例如，小心控制光纖中的氣孔大小和空間距離，可設(shè)計(jì)出令人驚異的色散曲線，使光纖在通信頻帶中幾百納米波長范圍內(nèi)，色散D<0.5ps/(nm·km)，從而大大減小由色散造成的脈沖展寬高非線性PCF加大氣孔和（或）減小光纖直徑，迫使光進(jìn)入氣孔中，可獲得比常規(guī)光纖大很多的有效折射率對(duì)比用這種方法可以獲得很強(qiáng)的模式限制，使芯區(qū)的強(qiáng)場(chǎng)導(dǎo)致非線性效應(yīng)的增強(qiáng)因?yàn)榉蔷€性實(shí)驗(yàn)對(duì)光纖色散有特定的要求，因此，PCF特別適合于制作非線性光纖器件大模面積PCF通常的光纖如果要運(yùn)轉(zhuǎn)在單模區(qū)，對(duì)芯的直徑和數(shù)值孔徑有很強(qiáng)的限制；對(duì)任意波長和芯徑大小存在一個(gè)最大的N.A.，低于這個(gè)最大值，光纖的單模運(yùn)轉(zhuǎn)才成為可能PCF芯和包層之間的折射率差很大，使得有可能制造出大芯徑的單模光纖；通過增加光子晶體中包層晶格的大小、減小氣孔的半徑或增大包層中缺陷的大小，可以控制大的模面積；可能比傳統(tǒng)光纖大十幾倍，達(dá)到150μm2這種光纖的優(yōu)點(diǎn)在于非常低的非線性因子和非常高的損傷閾值，可用于高功率傳輸或?qū)τ诰€性要求非常高的電信領(lǐng)域高數(shù)值孔徑PCFSiO2和空氣的折射率之比很大，因而有可能制造出N.A.>0.7的大數(shù)值孔徑多模光子晶體光纖，可用于對(duì)信號(hào)失真要求不嚴(yán)格的高功率的聚光和傳輸一個(gè)非常重要的應(yīng)用是制造雙包層光纖激光器和放大器超連續(xù)譜的產(chǎn)生超連續(xù)譜的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的非線性效應(yīng)當(dāng)超短高功率脈沖在材料中傳輸時(shí)，由于一系列的非線性效應(yīng)，其頻譜有巨大的展寬超連續(xù)包含有上百萬個(gè)單獨(dú)頻率，頻率間隔由泵浦激光器的重復(fù)率精確分開。形成的頻率階梯可用作進(jìn)行頻率測(cè)量的高精度標(biāo)尺，稱為光學(xué)頻率梳。用這種“頻率梳”對(duì)光頻的測(cè)量精度高達(dá)5.1×10－16Ⅱ光子帶隙型PCF的特性在一個(gè)二維散射體陣列（如空氣孔）中，如果散射體和基體材料的折射率之比足夠大，由于干涉效應(yīng)，在一定的頻率范圍內(nèi)，在該平面的所有方向的傳播將被禁止，這些頻率窗口即光子帶隙（PBG）。光子帶隙結(jié)構(gòu)可能將輻射陷在散射中心晶格的點(diǎn)或線缺陷上在這里，石英和空氣的折射率之比還是太小，導(dǎo)致至少在周期結(jié)構(gòu)中平面內(nèi)傳播的波不能產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng)但是在PCF中，如果縱向波矢（即光纖中的傳播常數(shù)）足夠大時(shí)，在橫向上即使很小的折射率階躍也能成為有效的散射中心因此，對(duì)于給定的足夠大的傳播常數(shù)，在石英/空氣結(jié)構(gòu)中可能存在禁止頻率范圍——光子帶隙或者說，對(duì)于給定的頻率，某些傳播常數(shù)是不允許的與折射率導(dǎo)波型PCF相比的不同PBG光纖是在低折射率材料中傳導(dǎo)光波折射率導(dǎo)波型光子晶體光纖通常對(duì)所有頻率有導(dǎo)模，而PBG光纖只在特定頻帶中傳導(dǎo)，而且當(dāng)基模不傳導(dǎo)時(shí)，可能存在某些傳導(dǎo)高階模的頻率