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光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用.pdf

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$##(.$*’*) 应用光学 vk6UU‘NQ^wUXNO] u,+u 文章编号 !"##$%$#&$’$##()#*%##+,%#+ 光子晶体光纤的原理 结构 - 制作及潜在应用 - 李启成 黑龙江科技学院 数力系 ’ 黑龙江 哈尔滨 . "(##$/) 摘 要 ! 传统光纤中的光能损耗和色散是阻碍其进 一 步 向 大 容 量 和 远 距 离 通 信 方 向 发 展 的 主 要 原 因 因 此 制 造 . 具有低色散和低损耗的光子晶体光纤成为光纤技术努力的方向 在介绍光子晶体光纤的制作 导光原理和特点的 基础上 研究了普通光纤不具备 . 而光子晶体光纤 所 具 有 的 无 休 止 的 单 模 特 性 . - 可 控 的 非 线 性 和 - 易于实现的多芯传输等特点 研究结果表明 0 光 子 晶 体 光 纤 在 光 纤 传 感 器 . 光 子 晶 体 天 线 - 超 宽 色 散 补 偿 - 光 学 集 - 0 - 奇 异 的 色 散 特 性 成电路等多方面具有广泛的应用前景 关键词 ! 光子晶体光纤 光纤 1 中图分类号 !23$(45, 色散 1 0 非线性效应 1 文献标识码 !6 789:;9<=>.;?:@9AB8CD9?:.EC:B@C;DB8>C:F:D9C= C<<=9;CD9?:?@8 KLMN4OPQRS ’TQUVWXYQRXZ[\VXPQYVXNO]VR^\QOPVRNO]._QN‘ZRSaNVRSLR]XNXbXQZ[cONQROQVR^2QOPRZ‘ZSd._VWeNR"(##$/.fPNRV) gJID8C;D!2PQYVNRWQV]ZRXPVXe‘ZOh]XWV^NXNZRV‘[NeQWXZ^QiQ‘ZUXZjVW^]eNSOVUVONXdVR^‘ZRS^N]XVROQOZYYbRNOVXNZRN] XPQ‘Z]]Z[‘NSPXQRQWSdVR^^N]UQW]NZR.]ZXPQYVRb[VOXbWQZ[UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWjNXP‘ZjQW‘Z]]VR^^N]UQW]NZRjN‘‘eQ XPQ^NWQOXNZRZ[[NeQW^QiQ‘ZUYQRXklV]Q^ZRXPQNRXWZ^bOXNZRZ[XPQYVRb[VOXbWQ.UWNRONU‘QVR^OPVWVOXQWN]XNO]Z[UPZXZRNO OWd]XV‘[NeQW.VR^OZYUVWN]ZRjNXPXPQOZYYZR[NeQW.XPQOPVWVOXQWN]XNO]Z[mQR^‘Q]]n]NRS‘Q4YZ^Q.]XWVRSQ^N]UQW]NZR. OZRXWZ‘‘Ve‘QRZR‘NRQVWVR^YZWQOZWQ]oXWVR]YN]]NZRZ[XPQUPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWVWQNRiQ]XNSVXQ^k2PQWQ]b‘X]PZj]XPVXXPQ UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQWjN‘‘PViQVeWZV^VUU‘NOVXNZRNRUPZXZRNOOWd]XV‘[NeQW]QR]ZW.UPZXZRNOOWd]XV‘VRXQRRVQ.^N]UQW]NZR OZYUQR]VXNZRVR^ZUXNOV‘NRXQSWVXQ^ONWObNXk p>Hq?8FI!UPZXZRNOOWd]XV‘[NeQW1[NeQW1^N]UQW]NZR1RZR‘NRQVWQ[[QOX 引言 传统的光纤是根据全内反射机制传导光 . 它要求光纤的纤芯必须具有高于包层的折射率 因此 这 . 种光纤已经在光通信中起到了重要作用 但很难向 . 大容量和远距离通信的方向发展 其主要原因是光 . 纤中的光能损耗和色散 因此 0 消除色散和降低损 . 耗成为光纤技术努力的方向 色散可以分为模式色 散 材料色散和波导色散 - 0 模式色散可以通过 . 单模光纤来克服 材料色散是由所用介质材料引起 1 的 单模 光 纤 的 波 导 色 散 取 决 于 波 导 的 结 构 1 如 光 . 纤剖面的折射率分布 纤芯直径等 - 0 在光纤长距离 0 其中 传输光信息的过程中 要求损耗尽可能少 . 光纤中 0 光能损耗主要来源于吸收损耗和散射损耗 其中 . 0 吸 收损耗包括本征吸收 和 杂 质 如 氢 氧 根 离 子 ’ 引 ) 起的选择 吸 收 散 射 损 耗 包 括 瑞 利 散 射 1 光 纤 结 构 . 不完善和材料中缺陷引起的散射 从硅玻璃光纤的 0 光学损耗和波长关系得到了在 和 "k((rY 目前已经作为通信的两个窗 "k5rY 处分别有损耗极小值 . 口 0 因此 研制能够克服传统光纤弱点的新一代光 . 纤成为目前光电子器件发展的主要方向之一 0 经 过 数 十 年 的 研 究 和 探 索 光 子 禁 带 的 概 . 念 s"5t终于在 年被提出 ",&/ 0 光子禁带是直接类比 收稿日期 作者简介 !$##+%#&%$*1 万方数据 李启成 修回日期 !$##(%#/%#" ! ’",*5%). . 男 辽宁朝阳人 硕士 讲师 . . 主要从事光子晶体和光纤激光器的研究工作 . 0
V?TV 应用光学 结构 A 制作及潜在应用 A 电子禁带的结果 它是指通过人工设计作出类比于 控制气孔的排列 因此 制作这种光子晶体在工艺 电子禁带结构的材料来阻止光子的传播 这种类比 上有较大难度 " 电子禁带结构的 人 工 合 成 材 料 在 某 一 能 量 范 围 内 晶体光纤都以全内反射作为导光机制 " 目前所报道的传统的 ! " ! 低耗的光子 A " 光子不能通过光子禁带晶体 简称光子晶体 或者 # $! 说在光子晶体内部产生的光不能传播 换句话说 " ! 光子晶体就是通过人工制造方法 使其晶体材料具 ! 有类似于半导体 硅 和 其 他 半 导 体 中 相 邻 原 子 所 具 图 % 传统光波导 &’()% *+,-’.’/0,12,34(5’-4 图 < 隧道被破坏的光子带隙波导 &’()< B,0-(,C2,34(5’-42’.D-4E.+/F4-.50041 " ! ! " 备的周期性结构 只不过光子晶体的周期性结构的 尺 度 远 远 大 于 电 子 禁 带 晶 体 其 大 小 为 波 长 数 量 级 如果破坏光子晶体的周期性结构 便使光子晶 ! ! 体成为不完全的光子晶体 光子晶体光纤就是应用 这种不完 全二 维 光 子 晶 体 延 展 为 不 完 全 三 维 光 子 晶体而 成的 6%78" 带隙区域 的那些 频 率 的 光 波 不 能 在 这 种 晶 体 中 传 光 子晶体 具有光子带隙和相应于 播 而被 全 部 反 射 出 去 这 是 因 为 折 射 率 的 周 期 性 变化起到了多维衍射光栅的作用 由于布拉格衍射 偏转了光波的传播方向 在二维光子晶体光纤中引 " ! ! 入一个 缺陷 作为光纤的核心 9 : 其目的是无光能损 ! 耗地将光陷获在光纤核心中 " % 光子晶体光纤的导光原理 目 前 已 经 报 道 的 光 子 晶 体 光 纤 是 由 晶 格 常 数 为波长数量级的二维光子晶体构成的 ! 的空气孔的硅光纤阵列构成光纤的包层 图 = 布拉格光子晶体波导 &’()= B+,((CD/./0’G/C.’G,1G+FE.,12,34(5’-4 < 光子晶体光纤的制作 根据目前的报道 ! 堆积和熔 合等过程 光子晶体的制作都要经过拉 如 ! HIJKLMNO 等 的 制 作 方 A 伸 法 6%8> 取 一 根 直 径 为 #%$ 线方 向 上 钻 一 条 直 径 为 =?PP %QPP 的 石 英 棒 沿 其 轴 ! 的 孔 随 后 将 石 英 ! @ 把 该 石 英 棒 放 在 ?)7@ 缺陷 9 作为核心 : 图 " ! Q
应用光学 L##9%L;K;Q 李启成 光子晶体光纤的原理 I 结构 ‘ 制作及潜在应用 ‘ b"9b 所 示 为 典 型 的 光 子 晶 体 结 构 图 !"#$% 一个空气孔而形成 纤端面的扫描电子显微镜照片 !""$’ 有一个空气孔而形成 纤芯 纤芯 &’ 图 ( & ) &’ 它 的 中 心 缺 少 究全反射型光子晶体光纤的特点 所示为光子晶体光 永无休止的单模传输特性 它的中心因为 虽 然 这 种 光 子 晶 体 光 纤 导 光 机 制 和 普 通 光 纤 却有普通光纤不具备的特点 光子晶体光纤在所有频率范围内支持单模 G." 一样 % G."." 特性 ’ ’ 图 * 光子晶体光纤结构图 +,-.* /012302145678+ 图 9 光子晶体光纤截面示意图 +,-.9 /430,5:5678+ 图 ; 中间无空气孔的典型 结构 <=> +,-.; /0123021456?0@A,3?B78+ C,0D520?,1D5B4,:E,FFB4 图 ( 中间有空气孔的 结构 <=> +,-.( /012302145678+C,0D?,1D5B4,:E,FFB4 光子晶体的特点及应用 对于标准的阶跃单模光纤 下式决定 I 其归一化频率 % 由 H 式中 HJKLMNOPQKRL %RST RSV 和 STURL " L SVQ 分别表示光纤纤芯与包层的折射率 为纤芯半径 N 才是单模的 WP 对应于 为光波长 当 ’ 时 光纤 HXL.#*9 的波长就称为光纤 % HJL.#*9 的截止波长 只有当工作波长大于截止波长时 ’ PS’ 才能实现单模传输 而光子晶体光纤不存在截止波 ’ 长 如果设计合理 光子晶体光纤具备在所有波长 上支持单模传输的能力 性 !*$’ 论上已经证明 也就是说 % 光子晶体光纤不存在截止波长 % 只要满足空气孔径与孔间距之比不 理 ’ 即所说的无休止的单模特 ’ % W % % ’ ’ 小于 就会有无休止的单模出现 ’ 可以有较高的入射功率 #.L% G.".L 这种单模传输特性与光纤的绝对尺寸无关 只 % 取决于光纤的相对尺寸 光纤放大或缩小依然可以 保持单模传输 这种单模传输特性使光子晶体光纤 ’ 非常有用 当传输高功率时无须担心出现非线性效 应 这增大了利用光子晶体光纤制作光放大器和激 I 光器的可能性 当需要强的非线性时 通过改变光 % 子晶体光纤的空气孔间距便可调节有效模场面积 英 国 大 学 的 研 究 人 员 已 经 制 作 了 工 作 在 YZ[\ *9]^_‘) 纤 芯 纤 其 ) & & 纤 芯 直 径 是 的 单 模 光 子 晶 体 光 LGa_ 面 积 大 约 是 传 统 光 纤 纤 芯 面 积 的 倍 用于传输高功率的光时不会出现非线性效应 ’ % % G.L 光子晶体光纤的色散性质 光子晶体光纤具有良好的色散特性 与传统光 ’ 纤不同 光 子 晶 体 光 纤 完 全 可 以 由 单 一 材 料 制 成 和 包层 的力 学 和 热 学 性 质 是 完 全 匹 % 纤芯 因 此 配的 ) ’ & ) 也就是说 & 纤芯 %) 和 & ) 包层 的折射率差不会 & % ’ % 因材料的不相容性而受到影响 从而可以在很长的 波长范围内得到较大的色散 纤中产生正常色散的波长上 在石英及普通单模光 光子晶体光纤中都可 以实现 反 常 色 散 % 偿及超短脉压缩等 因 此 容 易 实 现 孤 子 传 输 色 散 补 ‘ 另外 光子晶体光纤的零色散 ’ % 点可以大幅度地向短波处推移 目前报道的单模光 ’ "# ’ % 子晶体光纤的零色散点已达到 ’ (##^_ ]9#^_ 左右 !]$’ 的 光 孤 子 % G 由 于 光 子 禁 带 导 光 机 制 的 光 子 晶 体 光 纤 制 作 在光子晶体 中己成功产 生 工艺的复杂性 使得人们目前制造和研究最多的是 将来波长还可以降低 这就为制造可见光波段的光 全内反射型导光机制的光子晶体光纤 本文重点研 ’ 孤子光纤激光器提供了可能 我们还可以通过改变 ’ 万方数据 % ’
b,1b 应用光学 ,))1",<:<; 李启成 光子晶体光纤的原理 ? 结构 @ 制作及潜在应用 @ 光子晶体中空气 孔 的 分 布 和 大 小 来 剧 烈 地 改 变 它 振保持光纤 光子晶体天线 光学集成电路 超短脉 的色散和色散斜率 目前 只能针对某种设计通过 冲激光器 放大器和光开关 当掺进非线性介质时 ! " 数 值 模 拟 得 到 其 色 散 特 性 !#$%&’ 设计合理的光子晶体光纤可以获得 等 的 分 析 表 明 还可望用于光开关 光限幅 光双稳和光倍频等等 ())*+ 带宽和 通过设计更加复杂的结构和使用不同的材料 还会 @ " ! " @ H @ @ . @ ! 超过 的色散值 可补偿 倍于自 发现更多的用途 ,)))-’.*+/&+ 身长度的标准光纤引起的色散 " 这预示着光子晶体 01 ! " " 光纤 在 未 来 超 宽 到重要作用 567! 机理的认识还需进一步提高 234 现在 " 的 平 坦 色 散 补 偿 中 可 以 起 对光子晶体光纤的色散内在 光子晶体光纤的非线性现象 0/0 减 小 光 纤 的 模 场 面 积 可 以 增 强 非 线 性 效 应 ! " 从而使光子晶体 光 纤 同 时 具 备 强 非 线 性 和 快 速 响 目前的常规光纤有效截面积在 ! 应的特性 9+, 量 级 所 以各种 典 型非 线形 光 纤 器 件 " 而 光 子 晶 体 光 纤 可 以 做 到 如 克 尔 光 闸 (9+, 量 级 的 非 " 1)8()) 线性环形镜等就可以比普通光纤短 ()) 在 变孔间距 可 以 调 节 有 效 模 场 面 积 5<7" 长处调节范围约 为 (8 =))9+,! " " 也 可 以 装 载 低 折 射 率 液 体 气体 光纤具有可控的非线性 517! 0/> 易于实现多芯传输 : ; 通过改 倍 ! (/19+ 在孔中可以装载 从 而 使 光 子 晶 体 多芯传输有以下两个优点 一是提高了信道通 信容量 二是解决了单芯传输难以胜任的复杂通信 网络 矢量弯曲传感 光纤耦合等问题 光子晶体光 " @ 纤是通过堆积的方法制造的 使得多芯的结构能被 精确地定位且具有良好的轴向均匀性 而无须附加 @ ? " ! " 现在有的科学家已在这方面做了一些有 其它工艺 益地探索 ! 如 " A*$BCDEF 等人进行了该方面的理论 发现改变空气孔的比重或改变纤芯的位置可 " 研究 以获得具有不同耦合度的多芯光纤 5,7! 0/1 高的双折射特性 改 变 光 子 晶 体 光 纤 的 包 层 结 构 可 以 制 作 出 具 有高双折射效应的光子晶体光纤 只要破坏光子晶 体光纤截 面 的圆 对 称 使 其 成 为 二 维 结 构 就 可 以 实 现 例如 通过减少一些空气孔 或者改变一些空气 " " 孔的尺寸都可以获得高的双折射特性 ! " " 明 纤 5(,7! 的无孔纤芯 可 以 设 计 出 双 折 射 度 达 这样的双折射光子晶体光纤 入双 折 射 增大这 , " 需 缩 小 中 心 附 近 的 " 个孔的孔间距 , ! ! 理论分析表 ()G 0的 光 子 晶 体 光 采用高折射率 " 个 孔 的 孔 径 同 时 ! " > 结束语 光子晶体光纤的潜在应用包括超宽色散补偿 短波长光孤子传输 万方数据 发生 . 光纤传感 @ @ 极短拍长的偏 @ 波 507 蒋铭 池灏 " 究进展 / 半导体光电 光子晶体光纤的出现 使光电子技术进入了一 " 可以预言 光子晶体光纤是有巨 " 个新的发展阶段 大潜力的产业 ! ! 参考文献 ? 5(7 A*$BCDEF"#$%&’I J"KL’’MNNOPDE"QRST/JNN’$U N$VW’$*BNMU+XYMX-D$VWNZ$[M%\$DC -CXDX*$VV%]’DWN VNWYY$*B5E7/^-D$V’_MDDM%’"(‘‘<",(:(‘;?(1>6G (1>‘/ 廖 先 炳 5,7 光 子 晶 体 技 术 / 一 aa : 光 子 晶 体 光 纤 ; 5E7/ 半导体光电 ",))0",>:,;?(01G(0=/ 光 子 晶 体 光 纤 的 非 线 形 效 应 及 其 应 用 研 姚培军 5>7 光子晶体光纤 / 光 电 子 技 术 与 信 息 5E7/ " ",))0",>:1;?,‘6G,‘‘/ 5E7/ 明海 " ,)),"(1:<;?G106/ 5<7 #$%&’I J"A*$BCDEF"KL’’MNNOPDE"QRST/c*YU NM’’N] ’$*BNMU+XYM-CXDX*$VV%]’DWNZ$[M%5E7/ ^-D _MDD"(‘‘6",,:(0;?‘<(G‘<0/ 567 A*$BCDEF/J*X+WNXL’Y$’-M%’$X*$*-CXDX*$VV%]U ’DWNZ$[M%5E7/OCXDX*$V’IMVC*XNXB]_MDDM%’",)))" (,:=;?=)6G=)‘/ 5=7 ^%D$BX’W#J"A*$BCDEF"2WY’\X%DC2 E"QRST/ d$BCN] [$%MZ%$*BM*D -CXDX*$V V%]’DWNZ$[M%’ 5E7/ ^-D$V’_MDDM%’",)))",1:(=;?(0,1G(0,6/ 曹辉 光子晶体光纤及在光纤光栅 中 的 应 用 ",))0"(:,;?,>G,‘/ 池 灏 曾 庆 济 光 子 晶 体 光 纤 的 色 散 特 性 分 析 光 学 5E7/ 红 5E7/ / 与光电技术 5‘7 5()7 " / 外与毫米波学报 刘 思 敏 5((7 / 光 子 晶 体 光 纤 和 波 导 ",))0",,:,;?(>‘G(10/ 物 理 5E7/ ",))("0) :((;?<61G<=)/ 5(,7 AW&W%W*DeW’f"#$%&’I J"KL’’MNNOPDE/PD%LVU DL%WNNX*BU-M%$XYB%WD$*B’$*-CXDX*$VV%]’DWNZ$[M%’ 5E7/^-D$V’_MDDM%’",)),",6:(,;?()(0G()(1/ J*Y%M\ E/ ^-D$VWN-%X-M%D$M’ XZC$BCUYMNDW W$%U ’$N$VW +$V%X’D%LVDL%M X-D$VWNZ$[M%’5E7/ ^-D$V’ _MDDM%’",)))",1:((;?6‘7 4W*BW* # E" #$%&’ I J" A*$BCDE F" QRST/ gL*YW+M*DWNU+XYM VLDXZZ $* W -CXDX*$V V%]’DWN Z$[M% \$DC W YM-%M’’MYU$*YMh VX%M5E7/ ^-D$V’ _MDDM%’",))(",<:(‘;?(><‘G(>6(/ 包层的周围是周期性多孔结构 要引 5(07 KW*&W E$*M*Y%W A" 2$*YMNM% KX[M%DP" PDM*De
光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用 作者: 李启成, LI Qi-cheng 作者单位: 刊名: 黑龙江科技学院,数力系,黑龙江,哈尔滨,150027 应用光学 英文刊名: JOURNAL OF APPLIED OPTICS 年,卷(期): 2005,26(6) 9次 被引用次数: 参考文献(14条) 1.Knight J C;Birks T A;Russell P St J All si-lica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding 1996(19) 2.廖先炳 光子晶体技术--(一)光子晶体光纤[期刊论文]-半导体光电 2003(02) 3.池灏;蒋铭 光子晶体光纤的非线形效应及其应用研究进展[期刊论文]-半导体光电 2003(05) 4.姚培军;明海 光子晶体光纤[期刊论文]-光电子技术与信息 2002(06) 5.池灏;曾庆济;姜淳 光子晶体光纤的原理、应用和研究进展[期刊论文]-光电子·激光 2002(05) 6.Birks T A;Knight J C;Russell P St J End-lessly single-mode photonic crystal fiber 1997(13) 7.Knight J C Anomalous dispersion in photonic cry-stal fiber[外文期刊] 2000(08) 8.Ortigosa B A;Knight J C;Wadsworth W J Highly birefringent photonic crystal fibers[外文期刊] 2000(18) 9.曹辉 光子晶体光纤及在光纤光栅中的应用[期刊论文]-光学与光电技术 2003(02) 10.池灏;曾庆济 光子晶体光纤的色散特性分析[期刊论文]-红外与毫米波学报 2003(02) 11.刘思敏 光子晶体光纤和波导[期刊论文]-物理 2001(11) 12.Kakarantzas G;Birks T A;Russell P St J Struc-tural long-period gratings in photonic crystal fibers[外文期刊] 2002(12) 13.Ranka Jinendra K;Windeler Robert S;Stentz Andrew J Optical properties of high-delta air- silica microstructure optical fibers[外文期刊] 2000(11) 14.Mangan B J;Birks T A;Knight J C Fundamental-mode cutoff in a photonic crystal fiber with a depressed-index core[外文期刊] 2001(19) 本文读者也读过(5条) 1. 李启成 光子晶体光纤研究进展[期刊论文]-应用能源技术2004(5) 2. 李启成 光子晶体光纤研究进展及应用前景[会议论文]-2006 3. 王向宇.Wang xiang-yu 光子晶体和光子晶体光纤在传感器中的应用[期刊论文]-科技信息2008(31) 4. 张艳霞.乔学光.李明.贾振安.王向宇.Zhang Yanxia.Qiao Xueguang.Li Ming.Jia Zhenan.Wang Xiangyu 光子晶体光纤及其在传感器中的应用[期刊论文]-光通信研究2007(4) 5. 苏红新.王坤.崔建华.郭庆林.SU Hong-xin.WANG Kun.CUI Jian-hua.GUO Qing-lin 光子晶体光纤传感器的 研究进展[期刊论文]-仪表技术与传感器2008(2) 引证文献(9条) 1.李晓璐.黄勇林 有中心缺陷孔的矩形点阵PCF双折射特性研究[期刊论文]-光通信研究 2012(3) 2.潘崇麟.惠小强.张涪梅 用光子晶体光纤光栅实现温度、应力和气体浓度的同时传感[期刊论文]-应用光学
2013(2) 3.谭春华.黄旭光 光控二维光子晶体光开关[期刊论文]-应用光学 2008(3) 4.于志明.周静 用特征矩阵法研究一维激光全息光子晶体的禁带特性[期刊论文]-应用光学 2008(3) 5.银燕.袁乃昌 光子晶体在座舱罩雷达散射截面减缩中的应用[期刊论文]-应用光学 2006(5) 6.刘建静.刘锴.吴延昭.武首香.谢宁 一维光子晶体的带隙结构研究[期刊论文]-半导体光电 2010(6) 7.牛改霞.徐波.王京京.张巧云.侯蓝田 基于PLC的微结构光纤毛细管自动剪切收集排布系统[期刊论文]-电子 技术 2010(7) 8.王吉科.闫珂柱.姜迎迎 引入零平均折射率材料掺杂的一维光子晶体缺陷模的特性研究[期刊论文]-量子光学 学报 2008(4) 9.刘兵.竺子民 一维光子晶体结构参数对禁带带隙的影响研究[期刊论文]-应用光学 2007(4) 引用本文格式:李启成.LI Qi-cheng 光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用[期刊论文]-应用光学 2005(6)
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