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光纤传感技术9,张学典上海理工大学光电学院216室,上节内容,,光纤光栅传感器例子光子晶体光纤及其在传感器中的应用小结,光子晶体光纤,光子晶体光纤的结构,就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。,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。,空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为在空芯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，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。,,光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。,,而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。,1.无截止单模对于PCF只要其空气孔径与孔间距之比小于0.2，可在从蓝光到2μm的光波下单模传输，不存在截止波长。这就是无截止单模传输特性，且这种特性与光纤绝对尺寸无关，,2.不同的色度色散真空中材料色散为零，空气中的材料色散也非常小，空气芯PCF的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活，只要改变孔径与孔间距之比，即可达到很大的波导色散，还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态，如零色散波长可移到短波长，从而在1300nm实现光弧子传输；具有优良性质的色散平坦光纤（数百nm带宽范围接近零色散）；各种非线性器件以及色散补偿光纤（可达2000ps/nmkm）应运而生。,3.较高的入射功率光子晶体光纤的全波长单模特性与光纤绝对尺寸无关，放大或缩小光纤照样可以保持单模传输，这表明可以根据需要来设计纤芯面积。英国Bath大学研究人员已经制作了工作在458nm，纤芯直径是23μｍ的单模光子晶体光纤。其纤芯面积大约是传统光纤纤芯面积10倍左右，用于高功率传输时，不会出现非线性效应。,4.光子晶体光纤的非线性现象减小光纤模场面积，可增强非线性效应，从而使光子晶体光纤同时具有强非线性和快速响应特性。在孔中可以装载气体，也可以装载低折射率液体，从而使光子晶体光纤具有可控制的非线性。,5.易于实现多芯传输多芯传输有以下两个优点一是提高了信道通信的容量，二是解决了单芯难以胜任的复杂通信网络、矢量弯曲传感、光纤耦合等问题。光子晶体光纤使得多芯的结构能被精确定位且具有良好的轴向均匀性，无须附加其他工艺。,6.极好的非线性效应---双折射效应G.652光纤中出现的非线性效应是由于光纤单位面积上传输的光强过大造成严重损伤系统传输质量的一个现象。而在光子能隙导光PCF中，可以通过增加PCF纤芯空气孔直径（即PCF的有效面积）来降低单位有效面积上的光强，从而达到大大减少非线性效应的目的。光子能隙导光的这个特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础。,7.优良的双折射效应保偏光纤中，双折射效应越强，波长越短，保持传输光偏振态越好。在PCF中，只需要破坏PCF剖面圆对称性，使其构成二维结构就可以形成很强的双折射。通过减少空气孔数目或者改变空气孔直径的方式，可以制成比常用熊猫保偏光纤高几个数量级的高双折射率PCF保偏光纤。,光子晶体制作,能带隙光子晶体光纤采用的结构是在直径数μm的中空中心轴（芯线）外围，包裹着数百根仍旧是中空且直径1μm左右的微细管。这种管起着在芯线中传导的光线“绝缘体”的作用。,将微细管捆成束以后，再将其拉长，即可制出这种光纤,2004年2月24日，英国风险企业BlazePhotonics在OFC2004的“postdeadlinepaper”上宣布，已经开发成功路径损耗非常小的能带隙光子晶体光纤（PCF）。BlazePhotonics是一家1999年在英国Bath大学成立的风险企业。2003年6月与日本optoscience公司签定了代理合同，主要以学术领域的用户为对象，销售各种光子晶体.,五孔空芯PCPOF预制棒三孔实芯PCPOF预制棒最近试制的PMMA基材多孔光纤预制棒,1.光子晶体光纤的研究（1）面向光纤器件市场（光纤激光器/放大器）的稀土掺杂聚合物物光子晶体光纤的研制。（2）汽车、船舶、国防等领域用耐高温全氟化聚合物光子晶体聚合物光纤的研制。（3）医用生体适用型柔软性光子晶体光纤、光学传感器用荧光性光子晶体光纤。,光子晶体重要的应用背景,由于其特性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件光于晶体光纤在传统的光纤中，光在中心的氧化硅核传播。通常，为了提高其折射系数采取掺杂的办法以增加传输效率，但不同的掺杂物只能对一种频率的光有效。,英国Bath大学的研究人员用二维光子晶体成功研制成新型光纤由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后在2000度下烧结而形成。直径约40微米、蜂窝结构的亚微米空气孔就形成了。为了导光，在光纤中人为引入额外空气孔，这种额外的空气孔就是导光通道。与传统的光纤完全不同，在这里传播光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大.,,高性能反射镜频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100％。这与传统的金属反射镜完全不同。传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段有较大的吸收。,这种光子晶体反射镜有许多实际用途，如制作新型的平面天线。普通的平面天线由于衬底的透射等原因，射向空间的能量有很多损失；如果用光子晶体做衬底，由于电磁波不能在衬底中传播，能量几乎全部射向空间。这是一种性能非常高的天线，美国军方对此表现出极大的兴趣。,光子晶体超棱镜常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开，但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000倍，而体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1．0微米和0．9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。,光于晶体在国防科技上也有非常重要的应用前景。如光于晶体天线用光子晶体作为平面天线的基底，天线的发射效率将有极大的改善。光于延迟线用光子晶体制作的光子延迟线，可以将光的传播速度减小，对于信号处理有重要意义。假目标可以用光于晶体制作假目标，由于在光子禁带范围的电磁波有特别大的反射率，可以起到诱惑敌人的目的。隐身如在红外波段，用光子晶体材料覆盖所要隐身之物，由于光子禁带范围的电磁波不能发射出来而达到隐身的目的。,