创新技术讲座2.pptx
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1、创新技术讲座创新技术讲座(2 2)光纤通信新器件研究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;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、光子晶体光子晶体的概念 是在1987年提出的。光子晶体也称为光子带隙材料或电磁晶体,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
2、造成的空气空穴)的材料。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 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。光子晶体的特性光子晶体的特性晶格类型,晶格类型,光子材料的介电常数配比,光子材料的介电常数配比,高介电常数材料的填充比。高介电常数材料的填充比。点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷
3、2 2 光子局域光子局域 在光子晶体中引入杂质和缺陷时,与缺陷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,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。而不能向空间传播。1 1 光子带隙光子带隙在一定频率范围内的光子在光子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晶体内的某些方向上是严格禁止传播的。传播的。光子晶体光子晶体-自然界中的例子自然界中的例子蝴蝶猫眼石光子晶体制备方法光子晶体制备方法精密机械加工法精密机械加工法 半导体微纳米制造法半导体微纳米制造法 胶体晶体自组装法胶体晶体自组装法 反蛋白石结构法反蛋白石结构法液晶全息法等液晶全息法等
4、困难:制备足够小的周期性结构。困难:制备足够小的周期性结构。Lin S Y et al Nature 1998,394,251半导体微纳米制造法半导体微纳米制造法由一维等距排列的棒逐层叠加而成,层与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于第一层均平移了1/21/2棒间距,以四层为棒间距,以四层为一个重复单元,构成面心四方结构。一个重复单元,构成面心四方结构。d d为为每一层中棒的间距,每一层中棒的间距,w w表示棒宽度,表示棒宽度,c c表示表示一个重复单元的尺寸。一个重复单元的尺寸。Layer by lay
5、er methodOzbay et al Appl.Phys.Lett.,1994,64,2059;Ozbay et al Appl.Phys.Lett.,1996,69,3797.Shen Ping et al Phys.Rev.Lett.1999,82,4238当外加电场增大时,微球自组装形成体心当外加电场增大时,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小球只需微
6、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。简单的变化外加磁场的相对強度即可达到。磁场磁场包覆球截面的包覆球截面的SEMSEM照照片片电场电场体心立方体心立方面心立方面心立方结构可转换的三维光子晶体结构可转换的三维光子晶体反蛋白结构法反蛋白结构法以胶体自组装法生长出的密堆积的胶体晶体为模板,向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,得到三维周期性的焙烧、化学腐蚀等方法将
7、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。式分布于高介电系数的介质中。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 fiberPCF)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。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。光子晶体光纤在外观
8、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。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: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。第一、光子晶体光纤可在5001600nm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。第二、允许改变纤芯材料,加强光纤的非线性效应
9、。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。目前已经在PCF中成功产生了850 nm光孤子,将来波长还可以降低。PCF能够在波长低于1.31m获得反常色散,同时保持单模;反常色散特性为短波长光孤子传输提供了可能性。为制作在可见光波段的光孤子光纤激光器提供了一种可能;光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到1 m以下。波分复用在一根光纤中传输多个信道
10、时,随着光功率增加,会出现交叉相位调制和四波混频等材料的非线性现象,虽然可以通过增加有效面积缓解非线性的影响,但过大的通光口径又不能保证单模运转,限制传统单模光纤向更大容量发展很难逾越的障碍。第四、消除非线性依靠光子带隙传输的光子晶体光纤可使上述障碍迎刃而解。由于PCF为空心结构,纤芯可以是空气或真空,不用二氧化硅,作为材料属性的非线性,自然也就不存在了。普通单模光纤的纤芯主要成分是二氧化硅,即使尽量降低杂质吸收,但本征吸收和瑞利散射是很难避免的,因而普通光纤能量损耗总是大量存在。而PCF结构上是中空的,对光波传输损耗极低,有利于长途通信。第五、极小的能量损耗虽然普通单模光纤可以避免模式色散,
11、结构色散也可以做得很低,但材料色散却是本征性的,无法避免。它的存在使光脉冲展宽,限制了传输速率。英国的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤: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,从而形成直径约40 m的蜂窝结构与亚微米空气孔。传播光是在空气孔中而非氧化硅中,消除了材料色散。PCF纤芯可以是空气或真空,材料色散也就尽可消除了,不会出现延迟等影响数据传输率的现象。第六、消除材料色散传统光纤要取得双折射方式有两种:一是使截面非圆形;二是使光纤本身材料具有双折射。这两种方式在技术上都较难实现。第七、高双折射性质在光子晶体光纤中,可以通过改变包层结构参数
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