1.引言 qq"0X! w
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光子晶体(PC)是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料,其概念是1987由S.jhon和E. Yablonovitch提出来的,就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。 B:ugEAo_
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光子晶体的发现,可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同,光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙,频率(波长、能量)处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时,光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道,现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力,光子晶体则可以让人们同样地控制光子,甚至控制得更为灵活多样。可以预见,光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革,极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日,国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。 K^IB1U$
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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。 OVGB7CB]S
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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PCF,之后在光纤通信和光学研究领域中,PCF引起了全世界的普遍兴趣。 G +AP."M?
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目前,有关光子晶体光纤(PCF)的研究重点有:理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。 P1R[M|Fx
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2.光子晶体光纤的结构及其导光原理 <{i1/"k?X
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就结构而言,PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。 {s{+MbD
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PCF导光机理可以分为两类:折射率导光机理和光子能隙导光机理。 JvkTfTE7
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折射率导光机理:周期性缺陷的纤心折射率(石英玻璃)和周期性包层折射率(空气)之间有一定的差别,从而使光能够在纤芯中传播,这种结构的PCF导光机理依然是全内反射,但与常规G.652光纤有所不同,由于包层包含空气,所以这种机理称为改进的全内反射,这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。 ^].U?t.n)
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光子能隙导光机理:在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF 的传导条件,其结果就是光子能隙导光理论。如图1 所示,中心为空芯,虽然空芯的折射率比包层石英玻璃低,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间的距离和小孔直径满足一定条件时,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播,光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明,这种HF 中可传输99 %以上的光能,而空间光衰减极低,因此光纤衰减可能只有标准光纤的1/ 2~1/ 4 。但并不是所有PCF 都是光子能隙导光。 '7g]@Q7
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空芯PCF的光子能隙传光机理的具体解释是:在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙,光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射,但包层中的小孔点阵结构就像一面镜子,这样光就在许许多多的小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。 @|{8/sOq
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