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光子晶体光纤
于方永

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主要内容
1、光子晶体
2、光子晶体光纤
3、有限元法和COMSOL
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光子晶体
光是人类得以生存的基本条件，z等级的电脑，就必须藉由光子取代电子来传送和处理信息。光子与电子相比较，具有更快的速度与更大的频宽，且光子之间没有交互作用，若能将现有的电子元件提升为光子元件，则元件运作在速度上及精度上都能得到大幅度的提高。科学家相信光学元件将可以用光子晶体制作，达到光传播的目的。
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光子晶体
光子时代的到来？
光子
电子
传播速度 108 m/s 104-105 m/s
数据传播速率光子远远大于电子
载体带宽 1012Hz 105Hz
载流子相互作用弱强
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光子晶体
光子帯隙的产生：
定态下的电磁波波动方程为：
对于非均匀介质，尤其是其介电常数是周期性变时，有
如果介质为非磁性介质，则µr=1。
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光子晶体
光子帯隙的产生：
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光子晶体
光子帯隙的产生：
因此在周期性势场中，电场E应满足方程：
式中，ɛ0为常数，可以认为是介质的平均介电常数，
ɛ1(r)=ɛ1(r+Rn′)是扰动介电常数，C为真空中的光速。
（1-1）
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光子晶体
光子帯隙的产生：
在周期性势场中，电子的波函数Ψ满足薛定谔方程：
式中，V(r)=V(r+Rn)，ħ为普朗克常数，Ee为电子的
能量，在周期性势场中只能取本征值。
（1-2）
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光子晶体
光子帯隙的产生：
可以看出，方程（1-1）与方程（1-2）的形式完全相似，Ee在周
期性势场中只能取本征值，因此在周期性介电晶体中，ɛ0ω2/c2也
只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从
而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。
在半导体材料中，电子禁带能够有效阻止电子通过半导体，从
而实现对电流的控制。而在光子禁带内，光子晶体将能够无条件
地反射任何形式的电磁波。
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光子晶体
光子晶体与器件：
光子禁带：电磁波受周期性势场的调制而形成能带，能带之间可能出现带隙，即光子带隙或光子禁带。
光子局域：如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态频率吻合的光子就会被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处光将迅速衰减。
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光子晶体
光子晶体与器件：
在光子晶体的周期结构中引入缺陷，能够出现局域化的电磁场态或局域化的传导态，就可以像在掺杂半导体中控制电子那样控制光子。
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光子晶体
光子晶体光纤通常由纯石英或聚
合物等材料为基地，在光纤的横
截面上具有二维的周期性折射率
分布（空气孔或高折射率柱），
而沿光纤长度方向不变。
面缺陷
线缺陷
点缺陷
1D光子晶体
2D光子晶体
3D光子晶体
光子晶体光纤(PCF)
微结构光纤（MOF）
空洞光纤（Holey fiber）
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光子晶体光纤
光子晶体光纤又名微结构光纤(Microstructured optical fiber，MOF)或多孔光纤
(Holeyfiber，HF)
，它通过包层中
沿轴向排列的微
小空气孔对光
进行约束，从而
实现光的轴向传
输。独特的波导
结构，使得光子
晶体光纤与常规
光纤相比具有许
多无可比拟的传
输特性。
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光子晶体光纤
光子晶体光纤的导光原理
全内反射型 PCF导光原理
周期性缺陷的纤芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包层折射率 (空气 ) ,从而使光能够在纤芯中传播.
光子带隙型 PCF导光机理
在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射出去.
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光子晶体光纤
光子晶体光纤的主要特性

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光子晶体光纤
无截止单模特性
普通阶跃折射率光纤（SIF）单模传输条件：
●
普通光纤在短波呈现多模
与λ基本无关
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光子晶体光纤
无截止单模特性
光子晶体光纤（PCF）的单模传输条件：
V趋于常数
随λ减小而增加
通过合理设计微结构光纤的结构，
就可以使V在任意波长均满足单模
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