光子晶体光纤的分类
PCF导光机制分为两种，一种是全内反射光子晶体光纤 （TIR-PCF）也称折射率引导光子晶体光纤，另外一种光 子带隙光纤（FBG-PCF）
TIR-PCF
如图所示为最早的全内反射型PCF，该光纤包层由周期 性的空气孔排列形成，芯子位置缺少一个空气孔，由 石英玻璃材料填充形成，因此芯区的折射率大于包层 的有效折射率。此时导模机制类似于传统阶跃光纤的 全内反射机理。
D Dw Dm
光子晶体光纤中的石英玻璃和空气具有较大的折 射率差，光线中的空气孔的大小和排列方式可以 灵活设计，所以，光子晶体光纤可以灵活地设计 散射特性，如图：
了解
双折射
光子晶体光纤的出现为保偏光纤的研制提供了一条新思 路，由于光子晶体光纤横截面上折射率分布的对称性直接 由空气孔的大小和分布决定，因此通过适当的调整空气孔 的大小和排布可以达到破坏折射率对称性的目的，从而人 为的引入双折射。
光纤包层空气孔的有限性引起的）
光子晶体光纤的谱损耗：
缺陷损耗
瑞利散射④损耗
紫外吸收损耗
与光纤结构有 关的限制损耗
红外吸收损耗 杂志吸收损耗
降低光子晶体光纤的损耗措施：
色散特性
C 真空中的光速
波长
光纤中模式传播常数
nkm0自 由材空料间折波射矢率量对波长
的依赖关系
ne
, nm
k0
D Dw Dm
背景
1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首 次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。即：在石 英光纤中沿轴向周期排列着波长量级的空气孔。
1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研 制出世界上第一根全内反射型PCF，1998年Knight 等又率先拉制出光子带隙型PCF。
第四章 光子晶体光纤
目录
4.1 光子晶体光纤发展沿革 4.2 光子晶体光纤的传输特性 4.3 光子晶体光纤光栅 4.4 光子晶体光纤在能量传输中的应用光子晶体的Biblioteka 类一维二维三维
光子在光子晶体①中的运动规律类似于电子
在固体晶格中的运动规律，当光子在光子晶体中 传播时，空间周期性排列的不同介电常数材料对 光子形成布拉格散射，出现能带结构，并导致在 带与带之间出现类似于半导体禁带的光子带隙的 出现。
1. 在构成预制棒的玻璃棒中插入 可被酸腐蚀的玻璃材料
2. 将它们按设计要求排列好并融 化成型
3. 利用酸腐蚀掉不需要的部分形 成的空气孔
4.2 光子晶体光纤的传输特性
4.2.1 损耗特性 4.2.2 色散特性 4.2.3 双折射 4.2.4 非线性 4.2.5 无截止波长单模传输
散射损耗
• 最初全反射型光子晶体光纤的损耗约为几百dB/km • 2004年Tajima等报道了在1550nm处损耗为0.37dB/km光子
PCF的特性与其结构紧密相关，只要改变空气孔在包层 中的分布规律和大小就可以设计出不同特性的PCF。
FBG-PCF
最早的光子带隙型光子晶体光纤，光纤包层由空气孔按类 似于蜂窝的结构周期性排列形成，在芯子位置在一个蜂窝 单元中心处增加一个空气孔，从而引入缺陷，形成芯区。
两种光纤的导模原理
上图所示的简单结构，芯区为低折射率区，
光子晶体光纤与传统越阶式光纤区别
不大懂
其他类型光子晶体光纤
全固光子晶体光纤 布拉格光纤
布拉格光纤
光子晶体光纤的数值分析法
不详细介绍
等效折射率模型 平面波方法 基于本地正交函数法 多极方法 时域有限差分法 有限元法
光子晶体光纤的制作
1.完成预制棒的设计和制作，预制棒里包含了设计结构 2.将预制棒放在光纤拉丝塔中，利用普通光纤的拉丝方 法在更精确的温度和速度中控制下拉制成符合尺寸要求 的光子晶体光纤 3.在拉丝过程中，通过调整预制棒内部惰性气体的压强 和拉丝的速度来保持光纤中空气孔的大小比例，从而获 得一系列的不同结构的光子晶体光纤
晶体光纤
• 2005年，NTT公司的Zhou等报到了在1550处损耗为 0.28dB/km、1380nm处损耗为1.38dB/km光子晶体光纤，该 光纤对OH-根吸收峰位置的损耗做到了很好的抑制
• 2007年ECOC会议上NTT公司报道 了光子晶体光纤的损耗已经较低到 了0.18dB/km，（这个损耗已经小 于普通商用单模光纤的损耗，与目 前最好的纯石英芯光纤的损耗水品 0.148dB/km接近）
中图所示为光子带隙型光子晶体光纤结构，要想使光波 在折射率为n2的介质中传播，其传播常数β应小于材料 的折射率乘以真空中波数n2k0，此时光波能在所有介质 中传播，而当包层中各介质层满足布拉格条件时，会产 生严重的散射和干涉效应，在多重散射和干涉叠加的影 响下，光波的大部分能量可以被束缚在中心的低折射率 区中形成导模传输。某些结构的全内反射型光子晶体光 纤，其包层也可以提供光子带隙效应，从而使得全反射 导模和光子带隙共存，其包层也可以提供光子带隙效应， 从而使得全反射导模和光子带隙导模共存。
对于空芯光子带隙光纤，由于其对包层空气结构
的周期性要求要高很多，而且存在表面膜③等因
素的负面影响，就目前的水平而言，其传输损耗 较全内反射型要大一些，2005年，Bath大学的 Roberts等报道了空芯光子带隙的损耗达到了 1.2dB/km，如图
光子晶体光纤的损耗主要分为三类： （1）散射损耗 （2）吸收损耗 （3）限制损耗（光子晶体光纤特有，由于光子晶体
被高折射率包围，此时芯子中的任意角度的 入射光在n1和n2交界面处都发生反射和透射， 芯子中的光会随着传播距离的增大迅速衰减， 无法被束缚而形成导模。
下图所示为全发射型光子晶体光纤结构，
包层中存在周期性排列的低折射率n2单元， 使得光波所看到的平均折射率将低于n1，由 于芯子的折射率较高（n1），在满足一定入 射角的条件下，芯子中的光会在n1和n2交界面 处都发生全反射（与传统光纤类似），此时 模式场将会因全反射在光纤芯子中传播。
a. 毛细管堆积方法制作预 制棒
b. 石墨炉，温度18002000℃
c. 拉制成光子晶体光纤
预制棒的制作
• 毛细管组合法
• 溶胶-凝胶法
• 化学腐蚀法
1. 设计并制作出光子晶体光纤的 截面结构
2. 形成光子晶体结构 3. 复制堆积拉丝过程
1. 将溶胶浇注成设计成的结构使 其凝胶
2. 空气孔结构可由适当的圆棒插 入，待凝胶后移除即可形成