光子晶體光纖

關(guān)于光子晶體光纖第1頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三主要內(nèi)容歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀基本概念光子晶體光纖的色散特性研究總結(jié)第2頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三一歷史背景及發(fā)展現(xiàn)狀光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，這種光纖通常由單一介質(zhì)構(gòu)成并由在二維方向上緊密排列而在軸向保持結(jié)構(gòu)不變的波長量級的空氣孔構(gòu)成微結(jié)構(gòu)包層。光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現(xiàn)的特性，因而受到了廣泛關(guān)注并成為近年來光學與光電子學研究的一個熱點。第3頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖ACDEGI第4頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三研究成果1996年,英國南安普頓大學光電研究中心和丹麥技術(shù)大學電磁系首先成功制備出PCF。2001年,英國Bath大學Wadsworth等人實現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。2003年1月,Wadsworth等人利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCF激光器2004年,Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF，可產(chǎn)生超連續(xù)光譜,這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個寬帶輸出,光譜亮度超過太陽10000倍2005年,英國Bath大學A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜2006年,澳大利亞悉尼大學的A.Argyros等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導光子帶隙光纖2007年,張明明、馬秀榮等人設(shè)計了一種高雙折射光子晶體光纖第5頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三二基本概念1光子晶體2光子晶體光纖第6頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光子晶體是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)。在周期性介質(zhì)中，電場E滿足麥克斯韋波動方程

(2-1)在周期性勢場中，電子的波函數(shù)滿足薛定愕方程：

(2-2)可以看出，方程(2-1)與(2-2)的形式完全相似.在周期性勢場中只能取本征值，因此，在周期性介電晶體中也只能取某些特征值第7頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光纖光子晶體光纖又名微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructuredopticalfiber，MOF)或多孔光纖(Holeyfiber，HF)，它通過包層中沿軸向排列的微小空氣孔對光進行約束，從而實現(xiàn)光的軸向傳輸。獨特的波導結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無可比擬的傳輸特性。第8頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光纖的導光原理全內(nèi)反射型PCF導光原理周期性缺陷的纖芯折射率(石英玻璃)大于周期性包層折射率(空氣),從而使光能夠在纖芯中傳播.光子帶隙型PCF導光機理在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空氣,空氣芯折射率比包層石英玻璃低,但仍能保證光不折射出去.第9頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光纖的主要特性

a.無截止單模b.靈活的色度色散c.良好的非線性效應d.高雙折射效應

第10頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三三光子晶體光纖的色散特性研究1色散及其原理2光子晶體光纖色散3光子晶體光纖色散補償研究第11頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三色散及其原理

色散是由于光纖中所傳送信號的不同頻率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。在光纖中,脈沖色散越小,它所攜帶的信息容量就越大。脈沖在單模光纖中的傳輸基本方程為：(3-1)當時，可忽略不計。求解方程得：(3-2)單模光纖單位長度的色散量可以由下式得出：(3-3)第12頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三式中,c為光速;V為光纖傳輸?shù)臍w一化頻率;b為歸一化傳輸常數(shù)。式(3-3)等號右邊第1項決定于材料折射率,稱之為材料色散;第2項由于與光纖波導性能有關(guān),稱之為波導色散。普通單模光纖在1550nm窗口的色度色散系數(shù)約為16ps/(nm·km),傳輸100km后色散可達到1600ps/nm。而對于10Gbit/s系統(tǒng),它的最大色散容限是1000ps/nm。第13頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光纖色散與傳統(tǒng)光纖在可見光波段呈現(xiàn)正常色散不同，光子晶體光纖由于包層的空氣孔結(jié)構(gòu)使得芯層和包層的折色率之差增大，從而極大的增強了波導色散的作用，使得波導色散可以為反常色散.第14頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三此外通過結(jié)構(gòu)的改變，很容易將光子晶體光纖的零色散點調(diào)至到所需要的波長。通過適當設(shè)計空氣孔的參數(shù)，還可以在極寬的波段內(nèi)具有平坦色散且寬帶平坦色散曲線的中心波長可移。具有平坦色散的光子晶體光纖第15頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三光子晶體光纖色散補償研究近年來，隨著高速光通信系統(tǒng)的發(fā)展，對系統(tǒng)進行色散補償和色散管理越發(fā)必要。目前的色散補償技術(shù)有惆啾光纖光柵，色散補償濾波器，高階模光纖和已經(jīng)商用的色散補償光纖。隨著光子晶體光纖的提出，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活可控，光子晶體光纖成為研制新型色散補償光纖的一個重要手段。第16頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三色散補償原理用下標1代表待補償光纖，下標2代表色散補償光纖.L代表光纖長度，D為色散系數(shù)，S代表色散斜率.在某一波長處，色散補償?shù)臈l件為:將D和S寫成波長的函數(shù)，為的是強調(diào)色散系數(shù)和色散斜率均是該波長處的相應值。由(3-4)式可定義一個新的參數(shù)，稱為相對色散斜率：(3-4)(3-5)當兩種光纖的相對色散斜率在該波長處相等時，該波長處的色散可被完全地補償?shù)?7頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三色散補償光子晶體光纖光子晶體光纖在色散補償方面蘊藏著巨大潛力，國內(nèi)外對光子晶體光纖色散補償特性做了大量的數(shù)值研究。到目前為止，色散補償光子晶體光纖的設(shè)計主要是通過改變空氣孔的大小和排列順序，或者通過摻雜纖芯來實現(xiàn)理論設(shè)計的色散補償光子晶體光纖的橫截面示意圖

等效折射率分布第18頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三色散補償光子晶體光纖的色散曲線圖

注意到該光纖是基于純二氧化硅材料設(shè)計，沒有任何摻雜，可實現(xiàn)的色散值要比傳統(tǒng)摻雜的DCF要高得多。這充分說明了色散補償光子晶體光纖的色散潛力第19頁，講稿共22頁，2023年5月2日，星期三四總結(jié)光子晶體光纖的出現(xiàn)對于光纖及光纖通信光纖器件等領(lǐng)域是一個重大的突破。由于具有普通光纖所不具有的優(yōu)點，光子晶體光纖將會有非常廣泛的應用前景，比如說超寬色散補償、光開關(guān)、光纖傳感、大功率光子晶體光纖激光器和非線性光學等等。但目前就光子晶體光纖來說，離廣泛使用還需要進行深入的研究。我們相信,隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,光子晶體光纖的導光理