《光纤光学教学课件》第二十讲教学课件

1、第八章 光子晶体光纤8/20/2022第1页，共20页。发展历史John TyndallGlass rod light guideE. CurtissCladded optical fiberSolid-core photonic crystal fiberAir-guiding photonic crystal fiber1870年1870+年1956年P. Russellet al.silicaair2019年silicaair2019年8/20/2022第2页，共20页。光子晶体光纤 vs 传统光纤传统阶跃折射率光纤（SIOF）： 由两种均匀材料构成，依靠纤芯掺杂实现光子晶体光纤（PCF

2、）： 把微米级甚至纳米级微结构引入光纤剖面设计中，依靠微结构不同于一般均匀材料的色散、能带等特性。 整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为125m 导光基本原理：PCF中空气孔排列组成的光纤包层的有效折射率低于纤芯的折射率，而光总是趋向存在于高折射率材料中，因此光波可以被束缚在芯层里。 8/20/2022第3页，共20页。光子晶体光纤的类型折射率导光型光子晶体光纤空心光子带隙光纤8/20/2022第4页，共20页。折射率导光型PCFd代表孔的直径，代表孔与孔的间距，d/为包层多孔结构的占空比。包层的等效折射率受d和影响，折射率导光型PCF的很多特性都可通过改变d和的大小来调节。d和通常与

3、工作波长在一个量级上。其包层的每个孔洞的大小及形状又可以不一样，甚至每两个相邻孔洞的间距也可以不一样。这些因素大大增加了此类PCF设计的自由度。8/20/2022第5页，共20页。折射率导光型PCF的模式 由于PCF不具备普通SIOF光纤的理想圆对称性，所有的模式都属混合模式，即不存在纯TE或TM模式 。若PCF包层微结构的占空比较高，则除基模外的高阶模式也存在。具较小占空比的PCF只支持基模传播 。基模二阶模8/20/2022第6页，共20页。比较普通SIOF的导波特性是通过调节纤芯直径以及芯、包层折射率差来实现的。其中，调节石英玻璃的折射率需要复杂的掺杂工艺。PCF导光特性的控制可以仅依赖

4、于结构上的调节。理论上，通过改变IG-PCF的包层空气孔尺寸，包层的有效折射率可以为11.45之间的任意一值。这样的调节范围远突破了常规光纤中依靠纤芯掺杂所能达到的极限。 8/20/2022第7页，共20页。折射率导光型PCF特点无截止单模特性(满足d/ =0.4)大模场尺寸 /小模场尺寸 色散可调特性 （调节d,等，无须掺杂)应用色散控制 (色散平坦，零色散位移可以到800nm)非线性光学 （高非线性，超连续谱）多芯光纤 有源光纤器件（双包层PCF有效束缚泵浦光）光纤传感 8/20/2022第8页，共20页。折射率导光型PCF无截止单模特性 当减小，ncl变大,nco保持不变无截止单模特性

5、V2.405实芯多孔光纤新奇特性之一8/20/2022第9页，共20页。折射率导光型PCF的色散控制孔洞尺寸对折射率导光光纤群速度色散的影响。4m，d/0.40、0.35、0.30、0.258/20/2022第10页，共20页。空心光子带隙PCF光子带隙（Photonics Band Gap，简称PBG）光子晶体光纤(PBG-PCF) 的导光机制： 将光波限制在纤芯内传播的原理并不是因为其包层的有效折射率比芯层低，而是因为光在由芯层材料中以某个角度入射至包层微结构材料时，包层周期性结构会产生多重散射，多重散射形成的干涉减弱将导致光无法通过包层微结构材料，从而使光返回到芯层中。8/20/2022

6、第11页，共20页。PBG-PCF的模式分布8/20/2022第12页，共20页。PBG-PCF导光机理对某一特定传播常数或者neff，如果光的频率或者波长（对应光子能量）位于包层微结构的光子带隙之中，则光就受该包层排斥，因此光将被局限在芯层中并在芯层中传播 应用光子晶体理论可以直接求得包层周期性微结构的光子能带及带隙8/20/2022第13页，共20页。空心带子带隙光纤特点易耦合性，无菲涅耳反射 低弯曲损耗特性低材料吸收损耗、低非线性 特殊的波导色散 应用非线性阈值以及损伤阈值高，高功率导光 光纤传感 气体光学 8/20/2022第14页，共20页。堆积法拉制备光子晶体光纤8/20/2022

7、第15页，共20页。钻孔法制备塑料光子PCF预制棒 8/20/2022第16页，共20页。折射率导光型PCF的传感特性源于多孔微结构的存在，PCF最初被认为是探测气体或液体的理想波导结构。当气体或液体扩散到折射率导光型PCF的孔洞里时，会通过孔洞内的消逝场与光纤模式发生反应。通过测量气体或液体对光的吸收而发生的模场损耗，可以进行气体或液体探测。不过这种的探测方法也存在一些缺陷，其中之一就是任何一种气体或液体都需要一段时间来充分扩散到PCF微米量级的孔洞内，从而影响了探测的反应时间。 PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS ）来对一些物质进行探测 。8/20/2022第17页，共20页。气体和液体探测乙炔气体吸收谱光子晶体光纤气体检测实验方案8/20/2022第18页，共20页。增强拉曼效应（SERS）PCF的孔洞内壁被镀上一层金属膜（常用为金、银）或金属颗粒孔洞内壁的光场会因为金属膜或颗粒支持表面等离子波的缘故被大幅度放大在输出频谱上出现的新的拉曼谱线可用来确定被探测物质的化学成份放大的电磁场与附着在孔洞内壁被探测物质继而产生很明显的拉曼非线性效应生物分子检测癌症检测等8/20/2022第19页，共20页。光子带隙导光PCF的传感特性空芯光子带隙PCF