光子晶体光纤

关于光子晶体光纤第1页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三主要内容历史背景及发展现状基本概念光子晶体光纤的色散特性研究总结第2页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三一历史背景及发展现状光子晶体光纤是近年来出现的一种新型光纤，这种光纤通常由单一介质构成并由在二维方向上紧密排列而在轴向保持结构不变的波长量级的空气孔构成微结构包层。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，因而受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。第3页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三不同结构的光子晶体光纤ACDEGI第4页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三研究成果1996年,英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先成功制备出PCF。2001年,英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。2003年1月,Wadsworth等人利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器2004年,Blaze曾发布了一款新型PCF，可产生超连续光谱,这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出,光谱亮度超过太阳10000倍2005年,英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱2006年,澳大利亚悉尼大学的A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空气传导光子带隙光纤2007年,张明明、马秀荣等人设计了一种高双折射光子晶体光纤第5页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三二基本概念1光子晶体2光子晶体光纤第6页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在周期性介质中，电场E满足麦克斯韦波动方程

(2-1)在周期性势场中，电子的波函数满足薛定愕方程：

(2-2)可以看出，方程(2-1)与(2-2)的形式完全相似.在周期性势场中只能取本征值，因此，在周期性介电晶体中也只能取某些特征值第7页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光纤光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructuredopticalfiber，MOF)或多孔光纤(Holeyfiber，HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。第8页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光纤的导光原理全内反射型PCF导光原理周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)大于周期性包层折射率(空气),从而使光能够在纤芯中传播.光子带隙型PCF导光机理在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去.第9页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光纤的主要特性

a.无截止单模b.灵活的色度色散c.良好的非线性效应d.高双折射效应

第10页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三三光子晶体光纤的色散特性研究1色散及其原理2光子晶体光纤色散3光子晶体光纤色散补偿研究第11页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三色散及其原理

色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起传输信号畸变的一种物理现象。在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。脉冲在单模光纤中的传输基本方程为：(3-1)当时，可忽略不计。求解方程得：(3-2)单模光纤单位长度的色散量可以由下式得出：(3-3)第12页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三式中,c为光速;V为光纤传输的归一化频率;b为归一化传输常数。式(3-3)等号右边第1项决定于材料折射率,称之为材料色散;第2项由于与光纤波导性能有关,称之为波导色散。普通单模光纤在1550nm窗口的色度色散系数约为16ps/(nm·km),传输100km后色散可达到1600ps/nm。而对于10Gbit/s系统,它的最大色散容限是1000ps/nm。第13页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光纤色散与传统光纤在可见光波段呈现正常色散不同，光子晶体光纤由于包层的空气孔结构使得芯层和包层的折色率之差增大，从而极大的增强了波导色散的作用，使得波导色散可以为反常色散.第14页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三此外通过结构的改变，很容易将光子晶体光纤的零色散点调至到所需要的波长。通过适当设计空气孔的参数，还可以在极宽的波段内具有平坦色散且宽带平坦色散曲线的中心波长可移。具有平坦色散的光子晶体光纤第15页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三光子晶体光纤色散补偿研究近年来，随着高速光通信系统的发展，对系统进行色散补偿和色散管理越发必要。目前的色散补偿技术有惆啾光纤光栅，色散补偿滤波器，高阶模光纤和已经商用的色散补偿光纤。随着光子晶体光纤的提出，由于其结构设计灵活可控，光子晶体光纤成为研制新型色散补偿光纤的一个重要手段。第16页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三色散补偿原理用下标1代表待补偿光纤，下标2代表色散补偿光纤.L代表光纤长度，D为色散系数，S代表色散斜率.在某一波长处，色散补偿的条件为:将D和S写成波长的函数，为的是强调色散系数和色散斜率均是该波长处的相应值。由(3-4)式可定义一个新的参数，称为相对色散斜率：(3-4)(3-5)当两种光纤的相对色散斜率在该波长处相等时，该波长处的色散可被完全地补偿第17页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三色散补偿光子晶体光纤光子晶体光纤在色散补偿方面蕴藏着巨大潜力，国内外对光子晶体光纤色散补偿特性做了大量的数值研究。到目前为止，色散补偿光子晶体光纤的设计主要是通过改变空气孔的大小和排列顺序，或者通过掺杂纤芯来实现理论设计的色散补偿光子晶体光纤的横截面示意图

等效折射率分布第18页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三色散补偿光子晶体光纤的色散曲线图

注意到该光纤是基于纯二氧化硅材料设计，没有任何掺杂，可实现的色散值要比传统掺杂的DCF要高得多。这充分说明了色散补偿光子晶体光纤的色散潜力第19页，讲稿共22页，2023年5月2日，星期三四总结光子晶体光纤的出现对于光纤及光纤通信光纤器件等领域是一个重大的突破。由于具有普通光纤所不具有的优点，光子晶体光纤将会有非常广泛的应用前景，比如说超宽色散补偿、光开关、光纤传感、大功率光子晶体光纤激光器和非线性光学等等。但目前就光子晶体光纤来说，离广泛使用还需要进行深入的研究。我们相信,随着科学技术的不断发展,光子晶体光纤的导光理