空气折射率为n0 纤芯折射率为n1 包层的等效折射率为n2
2.4 光子带隙型光子晶体光纤PBG-PCF
PBG 型 PCF 的特点： ➢是由低折射率的空气孔来充当光纤的纤芯，包层的有效折射率相对较高。
➢当光信号入射到纤芯与包层的交界处时，实 际是由光疏介质入射到光密介质，因此其导光 机制不能用全反射理论解释。
专业： 通信与信息系统 姓名： 潘金全 学号： 1434041006 题目：《光子晶体与光子晶体光纤》
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1、光子晶体
1.1光子晶体的基本原理 1.2光子晶体分类 1.3光子晶体波导 1.4光子晶体的应用
2、光子晶体光纤
2.1 光子晶体光纤分类 2.2 全反射型光子晶体光纤 2.3光子带隙行光子晶体光纤 2.4 光子晶体光纤的特性 2.5光子晶体光纤的应用
2.4 光子带隙型光子晶体PBG-PCF
带隙型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤的全内反射原理不同，光能量只能 被局限在缺陷之中传播，因此这种光纤允许出现大于直角的光路弯曲，甚至可以在 弯曲，曲率半径小于波长的条件下传播，因而可以极大地降低弯曲损辑，提高弯曲 状态下的传光〈能量〉效率。
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2.5 光子晶体光纤的特性
3、总结
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1、光子晶体（Photonic Crystal）
• 1987年，S.John和E.Yablonovitch同时提出；
• 1991 年，E. Yablonovitch 制作出第一个光子晶体；
通过微加工获得的2D光子晶体
说明：光子晶体是一种在微米、亚微米的介质材料，其晶格尺度和光的波长具有相同的数量级
无截止的单模传输特性 在一定的结构下，从可见光到红外光的宽光谱范围内都能实现单
模传输。
色散可控
改变光子晶体光纤空气孔的排列和几何尺寸，可设计出具有多种 不同色散特性的光子晶体光纤。（零色散）
高双折射
PCF的折射系数比较大，比常规光纤高出1个量级
大数值孔径
通过提高包层中空气的占空比， 光子晶体光纤的数值孔径可以达 到0.9，这与传统单模光纤的数值孔(0.1~0.2)相比要大得多。
3. 总结
光子晶体
光子晶体光纤
PCF的特性
2.6 光子晶体光纤的应用
由于光子晶体光纤结构设计灵活，人们可以根据不同的需求改变其结构，设计 出具有不同光学特性的光器件
01
光开关
02
Hale Waihona Puke 光放大器03传感器
04
光纤光栅
05
光子晶体光纤激光器
参考文献
1. 光子带隙光纤的理论和实验研究 徐博 2. 光子晶体光纤的传输特性研究 支孟轩 3. 光子晶体光纤的现状和发展 王伟 4. 光子晶体光纤理论模型结构设计及制作工艺的研究 方宏 5. 光子晶体制备技术和应用研究进展 倪培根 6. 光子晶体光纤的色散模拟论文 7. 光子晶体光纤PBG导光原理 陈晓峰 8. 光子晶体光纤光栅制备方法最新进展 涂勤昌
包层中有许多周期性排列的空气孔，折射率呈周期性分布，在沿着光信号传 输的方向上，折射率保持不变，形成了二维光子晶体结构。
类似于蜂窝或莲藕的结构
不同结构的光子晶体光纤
2.1 光子晶体光纤分类
按结构分类：
实心的光子晶体光纤 空心的光子晶体光纤
按导光机制分：
全内反射型的光子晶体光纤(TIR-PCF ）
光子带隙型的光子晶体光纤(PBG-PCF）
2.2 全内反射型光子晶体TIR-PCF
全内反射型TIR-PCF ✓ 纤芯部分材质为二氧化硅材料 ✓ 包层中空气柱（掺杂棒）周期排列
实心的PCF都是TIR-PCF吗？
2.2 全内反射型光子晶体TIR-PCF
➢ TIR 型 PCF 并不是严格意义上的依靠能带理论导光的光纤 ➢导光机制与传统光纤类似
➢这种光纤是应用一种全新的理论来导 光，即光子带隙理论
2.4 光子带隙型光子晶体PBG-PCF
PBG-PCF
➢由于包层是由一系列分布均匀的空气孔组成，这种周期性结构就会产 生能带结构，能带间存在光子带隙。 ➢破坏纤芯位置的空气孔，相当于破坏了原始的周期结构，在纤芯位置 引入了缺陷（光子局域） ➢此类型的光纤中，光信号实际是在空气介质中沿波导方向传输，
主要散射？
光子禁带:1396nm~2019nm处
1.1 光子晶体基本原理
光子局域—光子晶体的重要特性
如果破坏光子晶体的周期性结构，便形成不
完全的光子禁带晶体，就可使原来的禁带中出现
允许态——缺陷
破坏介质周期结构，引入缺陷
点缺陷和线缺陷
➢点缺陷可以完全限制光子不能向任何一个方 向传播 ➢线缺陷使得与其频率相符的光子被局域在线 缺陷方向传播
如：对于光通信波段（波长1.55μm），要求光子晶体的晶格在 0.5μm左右
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1.1光子晶体基本原理
固体物理：原子是周期性排列 光子晶体：介质是周期性排列
光子晶体：
空间上，折射率是周期性变化的
由不同折射率的介质，周期性排列而成的
人工微结构。
光子带隙（禁带）一光子晶体最根本的特征
电磁波在折射率周期性变化的介质中传播 时，由于相干散射作用，形成光子禁带
按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为
✓一维光子晶体：光纤光栅 ✓二维光子晶体：光子晶体光纤 ✓三维光子晶体：蛋白石
硬化的二氧化硅胶凝体
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1.4 光子晶体的应用
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2.光子晶体光纤(Photonic Crystal
Fibers) 有光子晶体的相关性质
尺寸光波长的量级
空气柱
光子晶体光纤（PCF）又被称为微结构光纤（MSF）或多孔光纤
—— 这就相当于引人了一个光子晶体波导
1.2 光子晶体波导
砷化镓柱子
基底为空气
➢波长选择性
频率在光子带隙（禁带）内的光被禁止传输， 而在光子局域，由于存在缺陷，对应波长的光能传 输
➢滤波器
➢COMSOL Multiphysics：
多物理场直接耦合分析软件
引入缺陷
1.2 光子晶体波导
1. 3 光子晶体分类