光纤通信新器件创新技术研究.pptx

创新技术讲座（2）光纤通信新器件研究一、光子晶体及其在光通信中的应用 二、微电子机械系统(MEMS)技术在光通信中的应用 一、光子晶体及其在光通信中的应用 光子晶体是近十几年来出现的新型材料；可控制光子的运动；被科学界和产业界称为”光半导体”或”未来的半导体”；是光电集成、光子集成、光通信的一种关键性基础材料。用光子晶体器件来代替传统的电子器件，将会引起光通信领域的一场革命。1、光子晶体 光子晶体也称为光子带隙材料或电磁晶体，光子晶体的概念 是在1987年提出的。 是折射率在空间周期变化的介电结构，其变化 周期和光的波长为同一个数量 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，产生光子晶体带隙(Band Gap，类似于半 导体中的禁带)。光在晶体带隙中不能传播。 周期排列的低折射率点之间距离的不同，导致光子晶体对不同频率的光波产生能带效应。如果在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，破坏其结构的周期性，即在光子禁带中引入缺陷态，光波能在缺陷中传播，且传输效率极高。1 光子带隙在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的。2光子局域 在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。光子晶体的特性晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充比。点缺陷线缺陷面缺陷蝴蝶猫眼石光子晶体--自然界中的例子?精密机械加工法 半导体微纳米制造法 胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法 液晶全息法等光子晶体制备方法困难：制备足够小的周期性结构。Layer by layer method 由一维等距排列的棒逐层叠加而成，层与层间棒取向是垂直的，次相邻层的棒相对于第一层均平移了1/2棒间距，以四层为一个重复单元，构成面心四方结构。d为每一层中棒的间距，w表示棒宽度，c表示一个重复单元的尺寸。Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2059; Ozbay et al Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 3797.Lin S Y et al Nature 1998, 394, 251半导体微纳米制造法体心立方包覆球截面的SEM照片电场磁场面心立方当外加电场增大时，微球自组装形成体心立方，柱內是有序的晶体排列；進一步加上磁场后，內部的晶体结构发生变化，由体心四方结构转化为面心立方结构。由于小球只需微小的运动即可以造成结构的转换，故这种三维光子晶体的结构转换只需简单的变化外加磁场的相对強度即可达到。 结构可转换的三维光子晶体Shen Ping et al Phys. Rev. Lett. 1999，82, 4238以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板，向球形胶体颗粒的间隙填充高介电常数的材料，然后通过焙烧、化学腐蚀等方法将模板除去，得到三维周期性的反蛋白石结构，其典型结构是空气小球以面心立方的形式分布于高介电系数的介质中。反蛋白结构法光子晶体的材料有三类：半导体材料、介 质材料、有机聚合物材料。在实验室和实际应用中，光子晶体都是人为加工得到的。2、光子晶体光纤(Photonic crystal fiber—PCF)1992年提出在石英光纤上规则地排列空气孔，光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成。缺陷态可以是大的空气孔或实心的石英。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，在光纤的中心有缺陷态，光可以沿着缺陷态在光纤中传输。光子晶体光纤的横截面由非常微小的孔阵列组成，类似于晶体中的晶格，这也是光子晶体名称的由来。小孔是一些直径为光波长量级的毛细管，平行延伸在光纤中。光子晶体光纤突出的优点：第一、光子晶体光纤可在500～1600nm范围内保持单模运转。对光纤弯曲和扭转都不能激发高阶模。在1600nm 以下，光纤对直径小到0.5cm 的弯曲损耗都不敏感。当满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比不大于0.2， PCF具有无终止单模特性。如果PCF的空气孔较大，将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。第二、允许改变纤芯材料，加强光纤的非线性效应。如果在PCF空气孔中填充合适的非线性材料，会显著提高PCF的非线性。Bell实验室发现，对高非线性PCF，由峰值功率只有数瓦的100 fs光脉冲，注入75cm长的PCF，产生了超宽连续光谱的单模光，带宽达到1000 nm，范围从紫光到近红外。第三，可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1 ?m以下。PCF能够在波长低于1.31?m获得反常色散，同时保持单