光子晶体光纤的研究与应用
摘 要：光子晶体的概念于1987年由美国的Eli.Yablonovitch教授和加拿大的S.John教授在同一时间点提出，从而光子晶体进入了大众的视线。光子晶体是一种呈现周期性的新型人工微结构，被应用于生活中的许多场合。光子晶体光纤以光子晶体为基础被制造，与传统光纤在外表上极其相似，但内部结构截然不同，近年来光子晶体光纤以其独特的光学特性和设计灵活度成为研究热点。传统光纤以全反射的形式对信息进行传输，但是在这一过程中存在或多或少的能量损耗；而光子晶体光纤在传输时，其独具的光子禁带特性有效地抑制了一定频率范围内的波在禁区中的传播，从而大大减少了能量的损耗。本文详细地阐述了光子晶体光纤的发展、特性、分类以及制作方法等。
关键词：光子禁带；能带结构；光子晶体
光子晶体
1.1光子晶体的发展历程
光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形内芯和包层组成，且内芯的折射率略大于包层的折射率。首先我们需要了解光是如何在传统光纤中传播的，由斯涅尔定理可知当光由光密介质入射到光疏介质时会发生折射，其折射角大于入射角，随着入射角增大，折射角也将随之增大，当达到临界状态时入射光不再发生折射而被全部反射回来，从上述可以看出光在传统光纤中通过持续不断的全反射来达到传播的目的。但是在传统光纤中，由于材料对光存在着吸收,所以存在着光的损耗，并且传统光纤在长距离传输时还会发生信号延迟现象,使传输信号的光脉冲变宽,接收到的数据将不太精确，这也促使人们不断地探索更高效可靠的传输方法。
直到1987年,美国的Eli.Yablonovitch教授在讨论如何抑制光的自发辐射效应时提出了“光子晶体”这一新概念，在同一时刻,加拿大的S.John教授在讨论光子局域效应时也提出了“光子晶体”这一概念，此后“光子晶体”这一崭新的概念便在光学领域有了一席之地。最初人们认为光子晶体只能是人工结构，到后来发现自然界中同样光子晶体的身影，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀等，但总的来说大多数光子晶体仍是人造微结构。
所谓的光子晶体其实就是由两种或两种以上介电常数不同的介质，在空间中按一定周期排列形成的人工结构，当两种介质的介电常数之差足够大时就会在其界面上出现布拉格散射（即入射的波长与物质晶格间距接近时，入射光的能量没有损耗，但传播方向发生变化），由于能带间的不连续将形成光子禁带，只有一定频率范围内的电磁波才能在光子晶体中传播，其余频率的电磁波则无法在其中传播。在当代社会，光子晶体作为一种新兴的人造微结构材料，是光学领域技术突破性进步的关键，且有着广泛的应用。
图1.1 自然界中的光子晶体结构
1.4光子晶体的分类
光子晶体按空间分布的不同可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体[3-2]。一维光子晶体是由两种不同介电常数的介质在空间的一个方向上按周期性交替排列构成的，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数,在平行于介质层平面方向上介电函数不随着空间位置变化，因此电磁波在垂直于介质层平面方向上是被禁止传播的，而在平行于介质层平面方向上是被允许传播的。以此类推，二维光子晶体是由两种不同介电常数的介质在空间的两个方向上按周期性交替排列。三维光子晶体是由两种不同介电常数的介质在空间的三个方向上按周期性交替排列，因此三维光子晶体具有全方位的光子带隙，即落在带隙中的光在任何方向都被禁止传播。
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