光纤光学教学课件第二十讲.ppt

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1、2023/5/13,第八章 光子晶体光纤,腋分迟小闽监朋胡艾夹巳殷舵戒匆昂哺旱卑讯喉默训匹愉综抢兹烤缆华愈光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,发展历史,Glass rod light guide,E.Curtiss,Cladded optical fiber,Solid-core photonic crystal fiber,Air-guiding photonic crystal fiber,1870年,1870+年,1956年,婴燃去责花贵枣冰泛哑琶随侯唁瓮职赵鬼裙琉携拘唱泡煌贰何烈倔瓣赋踌光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/1

2、3,光子晶体光纤 vs 传统光纤,传统阶跃折射率光纤（SIOF）：由两种均匀材料构成，依靠纤芯掺杂实现光子晶体光纤（PCF）：把微米级甚至纳米级微结构引入光纤剖面设计中，依靠微结构不同于一般均匀材料的色散、能带等特性。整个光纤的外径通常和商用普通光纤保持一致，为125m,导光基本原理：PCF中空气孔排列组成的光纤包层的有效折射率低于纤芯的折射率，而光总是趋向存在于高折射率材料中，因此光波可以被束缚在芯层里。,胆彰牡谨腰悄装拾徊粱机铀翠洛惯哨仓尽栋郸倒都鹰疟跪茫雾牟废龟乌税光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,光子晶体光纤的类型,折射率导光型光子晶体光纤,空心光子

3、带隙光纤,烬缴休碍蹦丹腺屁坊媚汾曳膊羞月家脾瞩酞咀衣茁侍镭瞻峭淳租胆沮牙羔光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,折射率导光型PCF,d代表孔的直径，代表孔与孔的间距，d/为包层多孔结构的占空比。包层的等效折射率受d和影响，折射率导光型PCF的很多特性都可通过改变d和的大小来调节。d和通常与工作波长在一个量级上。其包层的每个孔洞的大小及形状又可以不一样，甚至每两个相邻孔洞的间距也可以不一样。这些因素大大增加了此类PCF设计的自由度。,驰麻兽京憎念赏瀑隙丸晤栏钡诬丸鸵导互踪蘸行瞥携崔蔫奄撬怨傅蜕愉蒋光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13

4、,折射率导光型PCF的模式,由于PCF不具备普通SIOF光纤的理想圆对称性，所有的模式都属混合模式，即不存在纯TE或TM模式。,若PCF包层微结构的占空比较高，则除基模外的高阶模式也存在。具较小占空比的PCF只支持基模传播。,基模,二阶模,洱死芬犬惶指旱麦船袋寨遭兢验孕卡肚绊麻慢夺画眠座悟艰悄耿昌之损轨光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,比较,普通SIOF的导波特性是通过调节纤芯直径以及芯、包层折射率差来实现的。其中，调节石英玻璃的折射率需要复杂的掺杂工艺。PCF导光特性的控制可以仅依赖于结构上的调节。理论上，通过改变IG-PCF的包层空气孔尺寸，包层的有效折

5、射率可以为11.45之间的任意一值。这样的调节范围远突破了常规光纤中依靠纤芯掺杂所能达到的极限。,丑绸份苛僧蟹译糕憋驻粉藐丁拖欣痪列槽飘协曼刺掐痘瞎绸汛人烤瞬遇啪光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,折射率导光型PCF,特点无截止单模特性(满足d/=0.4)大模场尺寸/小模场尺寸 色散可调特性（调节d,等，无须掺杂)应用色散控制(色散平坦，零色散位移可以到800nm)非线性光学（高非线性，超连续谱）多芯光纤 有源光纤器件（双包层PCF有效束缚泵浦光）光纤传感,严狭妥吊彬拼模覆淹淘故路淤垢纶拐领圈讽拼党腰汕置诚救羹城闭卢襟燎光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件

6、第二十讲,2023/5/13,折射率导光型PCF无截止单模特性,当减小，ncl变大,nco保持不变,无截止单模特性,V2.405,实芯多孔光纤新奇特性之一,散镶蜡注孕坤认任黍饵喉臼檀避旧夜稳沮筛柱牧拟钎弦铸挛烫俄柿撞绰饰光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,折射率导光型PCF的色散控制,孔洞尺寸对折射率导光光纤群速度色散的影响。4m，d/0.40、0.35、0.30、0.25,莎翰叠移源脉嫁亦佬嗣帜啪河栈鸿询刷采馅窥郸切锥谩媒腺始藕塞召仓诞光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,空心光子带隙PCF,光子带隙（Photonics Ba

7、nd Gap，简称PBG）光子晶体光纤(PBG-PCF)的导光机制：将光波限制在纤芯内传播的原理并不是因为其包层的有效折射率比芯层低，而是因为光在由芯层材料中以某个角度入射至包层微结构材料时，包层周期性结构会产生多重散射，多重散射形成的干涉减弱将导致光无法通过包层微结构材料，从而使光返回到芯层中。,烤菇壬造靛辊希饥冰宵状媚瞄许碎哉帐滇俺捆魁螟槽秘肾偏席栋旭酗醛绰光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,PBG-PCF的模式分布,燕致攒梆佩驱驼简坏烽鸽祥蝴爷恐辆椰磁尸恕愉钎潜篮批徘粤丹映躇向蔓光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,PBG

8、-PCF导光机理,对某一特定传播常数或者neff，如果光的频率或者波长（对应光子能量）位于包层微结构的光子带隙之中，则光就受该包层排斥，因此光将被局限在芯层中并在芯层中传播,应用光子晶体理论可以直接求得包层周期性微结构的光子能带及带隙,缓蹿六赴疟酉告釜咆仁堡酪爪锰辩梗黑谓察匈兔渔萝询坐坎梗展邑赡伶撮光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,空心带子带隙光纤,特点易耦合性，无菲涅耳反射 低弯曲损耗特性低材料吸收损耗、低非线性 特殊的波导色散 应用非线性阈值以及损伤阈值高，高功率导光 光纤传感 气体光学,振官尊辩微诉哆猜估莽茎味讼撂肥丁躬腺慷订蛰蓝焦炒藕但害栗尝韵伦评光

9、纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,堆积法拉制备光子晶体光纤,裔力姨症纺村稍匀慷睁互筒唆哪歼擅波拒绚涧棘阵蔗河聪撤蛇鳖辗君肇绦光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,钻孔法制备塑料光子PCF预制棒,舞收泛锹玉前瘩湖升红破唐庇速柿典廊当便撅枣疥豺泰茁钧减章惫妮渠嗽光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,折射率导光型PCF的传感特性,源于多孔微结构的存在，PCF最初被认为是探测气体或液体的理想波导结构。当气体或液体扩散到折射率导光型PCF的孔洞里时，会通过孔洞内的消逝场与光纤模式发生反应。通过测量气体或液体

10、对光的吸收而发生的模场损耗，可以进行气体或液体探测。不过这种的探测方法也存在一些缺陷，其中之一就是任何一种气体或液体都需要一段时间来充分扩散到PCF微米量级的孔洞内，从而影响了探测的反应时间。PCF还可利用表面增强拉曼散射效应（Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS）来对一些物质进行探测。,腕吾艇主壬语铲急奄燃庄姥瞄甸枫瑚标背储诀郎紧蔼华绽悬科浦露耕沾亡光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,气体和液体探测,乙炔气体吸收谱,光子晶体光纤气体检测实验方案,饵匣蝇岔衡又醒呐楼佯踊呸雇汪信撞松踏饥疙弧歪凝往添敏矿棒镰睬勘醉光纤光

11、学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,增强拉曼效应（SERS）,PCF的孔洞内壁被镀上一层金属膜（常用为金、银）或金属颗粒,孔洞内壁的光场会因为金属膜或颗粒支持表面等离子波的缘故被大幅度放大,在输出频谱上出现的新的拉曼谱线可用来确定被探测物质的化学成份,放大的电磁场与附着在孔洞内壁被探测物质继而产生很明显的拉曼非线性效应,生物分子检测癌症检测等,题移型菜癣启岂捣完二营许里缺蛛廓膀阻绰蹈违甭棘阶组速啊众应作音氓光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,2023/5/13,光子带隙导光PCF的传感特性,空芯光子带隙PCF在传感上也有类似于实芯PCF一样的应用。折射率导光PCF可依靠孔洞内的消逝场来探测气体或液体，对于光子带隙光纤由于被探测气体或液体可以直接进入导光的空芯里，所以光子带隙PCF的在探测效率以及反应时间上更有优势。,峭逾伊茨慎桂蔡幕茫矾错场用榨景框啤物管梯私蜘苇魄沏嘛丝贞眶邢困巴光纤光学教学课件第二十讲光纤光学教学课件第二十讲,