光子晶体光纤（精选十篇）
光子晶体光纤 篇1
光子晶体光纤 (Photonic Crystal Fiber) [1], 又称多孔光纤 (Holey Fiber) , 或微结构光纤 (Microstructure Fiber) , 最早由Philip St. J. Russell 等人于1992年提出。光子晶体光纤是一种具有周期性横向微结构的光纤, 早在1996年就已经作为一种低损耗的波导形式出现在实际应用中。自上个世纪80年代末期Yablonvitch 的先驱性工作以来, 世界上的众多研究机构已相继提出了多种空芯或实芯, 具有规则或不规则几何结构, 使用不同材料 (硅或聚合体) 的光子晶体光纤。常见的光子晶体光纤结构如图1所示。
1 光子晶体光纤的导光机理
光子晶体光纤根据导光机理的不同可以分成两类:折射率导引型光子晶体光纤, 如图1中的A, C, D和光子带隙型光子晶体光纤, 如图1中的E, G, I。
折射率导引型光子晶体光纤中包层的有效折射率低于纤芯的折射率, 所以通过全内反射 (total internal reflection) 可以将光限制在由折射率较高的材料组成的纤芯区域。由于其设计比较灵活, 折射率导引型光子晶体光纤具有较宽的超短光脉冲传送波长, 可见光和近红外波导奇异色散等令人感兴趣的特性。另一方面, 光子带隙 (PBG) 型光子晶体光纤仅能够在一个或几个离散的对应于光子带隙的频带导光。其导波模的有效折射率低于包层模, 通过带隙效应, 特定频率的光能够在由低折射率材料 (固体玻璃、空气孔) 组成的纤芯中传播。
2 光子晶体光纤的特性
光子晶体光纤由单一材料构成, 其包层中的空气孔微结构已经超出了普通光纤光学和光波导的范畴, 由于其设计上的灵活性, 光子晶体光纤具有许多传统光纤无法比拟的特性, 这就为克服传统光纤发展中的一些技术障碍提供了有效的解决途径。
2.1 无截止单模特性
众所周知, 传统光纤中的归一化频率V决定了光纤支持的模式数目, 当V<2.405时光纤只支持单模。1996年, J. C. Knight[2]等人报道了在337nm到1550nm波长范围内都为单模的光子晶体光纤。与传统光纤类似, 光子晶体光纤的单模传输条件为:
其中r为纤芯半径, λ为真空中的波长, ncore为纤芯的折射率, nclad为包层的有效折射率。包层的有效折射率不是包层材料折射率简单的平均或加权平均, 而是由光场分布决定的。
2.2 色散特性
色散在通信系统设计和所有非线性光学实验中起着至关重要的作用。色散使得不同频率的光以不同的群速度传播, 这就直接导致光脉冲的展宽, 限制通信传输速率的提高。与传统单模光纤相比, 光子晶体光纤无论在色散幅度, 还是在色散符号的控制上都有了极大的加强。
随着光频率的增加, 传统单模光纤 (SMF) 在1.3μm波长附近色散值由反常 (D>0) 变为正常 (D<0) 。对于光子晶体光纤, 当其纤芯半径小于1μm时, 其基模的零色散点将移至可见光波段 (400nm～700nm) 。通过使用具有混合成分玻璃作为光子晶体光纤的组成材料, 例如Schott SF6, 其本征零色散点位于～1.8μm。由于设计上的灵活性, 光子晶体光纤可以在极宽的波长范围内具有平坦的色散曲线, 并可以根据实际需要使其变为近零色散、正常色散和反常色散。同时通过调节其结构参数, 可以使得光子晶体光纤具有不同斜率的色散曲线。
2.3 非线性特性
传统阶跃光纤1550nm处可用的最高非线性系数20W-1.km-1。通过巧妙的设计, 折射率引导型光子晶体光纤的非线性系数通常是传统光纤的10～100倍, 而由混合成分玻璃组成的光子晶体光纤在1550nm处的非线性系数高达550W-1.km-1[3]。这种高非线性的光子晶体光纤已经应用于光参量放大, 全光信号处理, 超短孤子脉冲传输, 超连续谱的产生等方面, 其研究成果大大的丰富了传统非线性光纤光学的内容。
2.4 高双折射特性
与传统光纤相比, 光子晶体光纤具有更高的纤芯-包层折射率差, 因此高双折射光子晶体光纤更易于实现。实现高双折射光子晶体光纤的途径有:
(1) 增加其纤芯-包层折射率差, 例如, 各向异性材料的使用。
(2) 在光子晶体光纤纤芯或包层中引入非对称结构。与传统PANDA型或碟结型 (双折射值通常为5×10-4) 等包偏光纤相比, 高双折射光子晶体光具有制作工艺简单, 设计自由度大, 更高双折射等优点。到目前为止, 文献[4]报道了具有10-3级的高双折射光子晶体, 双折射值高达0.0076的光子晶体光纤已经在实验中实现[5]。
3 光子晶体光纤研究进展
目前, 国际、国内对光子晶体光纤的理论研究主要包括数值模拟方法的改进、新方法的提出、对光子晶体光纤特性的分析等。光子晶体光纤的数值模拟方法主要有:有限元方法、平面波展开法、有限时域差分方法、多极法等。近年来, 光子晶体光纤的制作材料已经不再局限于融石英, 采用亚碲酸盐 (tellurite) , 聚合体 (polymer) 等材料的光子晶体光纤都有报道。由于光子晶体光纤由单一材料组成, 所以其自身损耗低于传统光纤。K. Kurokawa等人已于2006年成功拉制出一根长100km, 损耗0.3dB/km光子晶体光纤[6]。随着研究不断深入, 光子晶体光纤传输损耗显著降低。因此, 各研究机构纷纷利用其开展相关的传输实验。H. Kubota等人于2001年在一根2km的光子晶体光纤上进行了首次的飞秒脉冲传输实验。在6个波长 (658, 780, 853, 1064, 1309和1556) 处的超宽带波分复用传输实验显示:光子晶体光纤超宽的单模频带为带宽为263THz的通信系统的建立提供了可能[7]。光子晶体光纤已经广泛应用于光通信、非线性光纤光学等领域的前沿研究, 它在光开关、波长转换、光纤传感、拉曼放大等方面已经取得令人瞩目的成果。
4 结束语
光子晶体光纤由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性, 成为学术界和产业界的研究热点。随着光子晶体光纤研究的深入, 其展现出的各种优异特性将会得到更广泛的应用。可以预见, 光子晶体光纤的发展前景异常广阔, 进一步发展光子晶体光纤的理论及其在通信领域的应用研究有着重要的现实意义。
参考文献
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光子晶体光纤 篇2
光子晶体光纤中多泵浦四波混频光谱增益特性研究
摘要：研究了信号与泵浦光同向传输,在色散平坦高非线性光子晶体光纤中的多泵浦四波混频光谱增益特性,从光谱学的角度分析了泵浦光波长漂移,泵浦光偏振方向平行与正交,信号光相对于泵浦光偏振态失配,二者总功率对多泵浦四波混频光谱增益特性的`影响,探讨了泵浦光数目对多泵浦四波混频光谱增益特性的冲击.研究发现在36.4 nm波长范围,二者偏振态匹配时多泵浦四波混频效果最好,同时,多泵浦四波混频效应对偏振极为敏感,若两束泵浦光偏振态垂直,则它们分别与信号光发生四波混频,反之,则两束泵浦光之间亦会发生四波混频作用,且在正交泵浦的前提下,信号光偏振方向变化会直接导致各闲频光增益大小发生变化；进一步指出当采用三束连续泵浦光时,同样可以在一定波长范围内实现多泵浦四波混频效应.这些研究对于开发基于光子晶体光纤中多泵浦四波混频效应工作的超快光子器件具有一定的指导意义. 作者： 惠战强 Author： HUI Zhan-qiang 作者单位： 西安邮电学院电信系,陕西西安,710061 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： 2011, 31(10) 分类号： O431 关键词： 光子晶体光纤 交叉相位调制 光谱 机标分类号： TN9 TN8 机标关键词： 光子晶体光纤 多泵浦 四波混频效应 光谱学 增益特性 特性研究 Photonic Crystal Fiber Processes FWM Characterization 泵浦光 光偏振态 信号光 偏振方向 波长范围 四波混频效果 指导意义 正交泵浦 同向传输 色散平坦 基金项目： 陕西省教育厅项目，西安邮电学院中青年基金项目资助光子晶体光纤产生慢光的机理与实例 篇3
摘 要：本文介绍了光子晶体光纤作为慢光介质应用于慢光系统可以提高系统的延迟效率，通过实验得出高非线性光子晶体光纤的延迟效率是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于SBS慢光系统可以有效短光纤长度和降低对抽运功率的要求。
关键词：光子晶体；紫外预电离；光子晶体光纤；受激布里渊散射
【中图分类号】TH744.3
1 引言
慢光研究是当前光学领域的热点。光纤中基于SBS的可控慢光技术易于同现有光通信网络集成，波长可调，可以工作在通信波段，并且其成本低，具有很大的应用前景。要理解慢光，首先要分清光的相速度和群速度，其中相速度是大家所熟知“光速”，也就是 。而在光纤通信中使用的光，是以光脉冲的形式来传播信息的。而光脉冲的速度是光的群速度而不是光的相速度。
2 基于布里渊散射慢光延迟的基本原理
当一束较强的泵浦光（频率为 ）入射到光纤中，由于电致伸缩效应，会在光纤中产生斯托克斯声学声子。该声学声子对光纤的折射率 产生周期性调制而形成光栅，该光栅会反射入射的泵浦光波，同时产生散射光波。假设泵浦波在 处注入，斯托克斯波在 处输入，如示意图2.1所示。
由于要保持能量守恒，反射光比入射光具有一个布里渊频移的波长差。对于斯托克斯光，相当于光纤对其具有增益放大的作用。布里渊散射的特点之一为增益带宽窄，由 Kramers—Kronig关系，折射率的变化是随着增益的变化而产生的。由于在窄带频率范围内，布里渊增益会从零变化到极大值，导致在很小的频域内大的折射率的改变。这种折射率相对于光频率的大幅变化引起这个频域内光的群折射率 的大幅变化由群折射率与群速度的关系可知，这将会大大降低光脉冲的群速度，这就是光纤中基于布里渊散射慢光延迟的基本原理。 （2.1）
（2.1）式中 是慢光系统中一个重要的参数，它表示每单位长度和单位功率下的延迟时间，用来表征作为慢光介质的各种光纤的延迟效率。 为布里渊增益系数， 为信号的延迟时间， 是布里渊增益谱带宽， 为光纤的有效传输长度， 为光纤的有效模场面积， 为常数，与偏振相关。具有大布里渊增益系数的光纤具有大的延迟效率，作为慢光介质，可以缩短光纤的长度，降低系统对抽运功率的要求。研究结果表明高折射率的铋氧化物、硫族化合物、亚碲酸盐等高非线性光纤具有大的布里渊增益系数，用于慢光系统可以提高系统的延迟效率，有效缩短光纤的长度和减少系统对抽运功率的需求。但是这些非硅材质的光纤同现有的光通信网络存在兼容问题，并且应用范围有限。对于纯硅材质的光纤，相对于具有高折射率的非硅光纤来说， 要小一或两个数量级，为了得到大的延迟效率，可以采用具有小模场面积（ ）的光子晶体光纤作为慢光介质。
3 实验结果
在实验中，选取一段70 长的高非线性纯硅光子晶体光纤作为慢光介质，纤芯直径为2.1 ，包层直径为128 。1550 波长处，模场直径为2.8 ，非线性系数约为11 。该HNL-PCF通过一段中间光纤同标准单模光纤连接，总的熔接损耗小于0.5 。在1510～1620v波长范围内，光纤的传输损耗小于9 。实验测得该70 长的HNL-PCF的布里渊阈值为101 。使用小信号放大的方法测得该HNL-PCF的布里渊增益谱，1550 处，布里渊频移为9.749 ，布里渊增益谱带宽为41 。
实验中用10 的正弦信号作为调制信号，调制出半峰全宽为50 的脉冲信号作为布里渊放大的信号光，此时 。
图3.1表示信号布里渊增益与抽运功率的关系。当抽运功率达到某一点时，由于自发布里渊散射的加强，放大器开始飽和，信号增益开始变得不明显，且不同功率大小的信号进入饱和时的抽运功率不同，输入信号功率越大，放大器越早饱和，小功率的信号能获得较大的非饱和的布里渊增益。基于受激布里渊散射的慢光实验中，选用功率大小为-31 的信号光进行测量。信号光在抽运功率为101 的情况下获得了33 的非饱和增益。
4 结论
实验结果表明，本文所使用的高非线性光子晶体光纤的延迟效率是普通单模光纤的13.7倍。该光纤应用于SBS慢光系统可以有效短光纤长度和降低对抽运功率的要求，具有潜在的应用价值。
参考文献：
[1] 梁建.新型光子晶体光纤及光子晶体慢光波导的研究与设计[D].青岛： 青岛大学硕士论文. 2012，1-14
[2] 薛乐梅.光纤中布里渊散射慢光的形成机理[D].兰州：兰州理工大学硕士论文. 2012，1-34
[3] 侯尚林等.光子晶体光纤中基于SBS实现慢光的数值模拟[J].兰州理工大学学报.2012，38（3）：89-93
双包层光子晶体光纤特性研究 篇4
首先简单介绍了光子晶体光纤放大器和激光器与传统光纤放大器和激光器相比的优势,以及双包层光子晶体光纤的基本结构特性。详细比较了双包层光子晶体光纤相对于聚合物双包层光纤的优点和缺点。然后说明了双包层光子晶体光纤的应用所长。最后总结出两种光纤特性的对比。
1简介
近年来,由于光子晶体光纤能提供高而稳定的输出功率,而且光束质量很好,光子晶体光纤已经引起了众多科研人员的兴趣。尽管传统的CO2和Nd-YAG等激光器也已经可以提供高的输出功率,光纤激光器却有其额外的优势,比如光束质量非常高、可靠性好、维护成本低等。虽然基于普通掺杂单模光纤的光纤激光器可以产生衍射极限输出,但是它对达到衍射极限光束质量的泵浦光源有所限制,因此通常这些泵浦光源的功率都很低。另一方面,多模光纤的使用通常会导致光束质量的下降。这个问题随着双包层光纤的发明已经得到解决。双包层光纤允许向光纤的内包层泵浦。激光在单模或多模纤芯中传播,纤芯外围是内包层,泵浦光在内包层中传播。光子晶体光纤技术为泵浦包层提供了非常高的数值孔径。只有纤芯(有时也可以是围绕纤芯的一个环)用稀土掺杂。泵浦光被折射率更低的外包层限制在内包层中。当泵浦光传播至单模纤芯中时,就能被激光活性离子吸收。内包层的面积比纤芯大得多,通常是纤芯面积的100～1 000倍,并且内包层的数值孔径也比芯层高得多。因此,双包层光子晶体光纤能支持很多种传播模式,而且尽管高功率激光二极管的输出光束质量不高,双包层光子晶体光纤也可以高效地接受它的输出光束。在光纤脉冲放大器和激光器中,当保持高峰值功率时,需要功率很高的泵浦二极管来增加脉冲频率。包层泵浦技术利用光能消耗低的多模激光二极管作为光纤激光器的泵浦源,以此来减少系统能量消耗。目前,聚合物类型的双包层光纤(DCF)用折射率低的聚合物作为泵浦光波导的包层,这种方式被大多数包层泵浦光纤激光器所采用。
另一方面,近年来双包层光子晶体光纤(PC-DCF)由于它们有趣的特性越来越引起人们的注意。PC-DCF结构的一个最大特点就是泵浦光波导被空气孔包围。下面,介绍PC-DCF相比于聚合物DCF的优点和缺点,并总结在脉冲放大器中的有效应用和使用。
2双包层光子晶体光纤的优点
图1所示是用扫描电子显微镜观察到的双包层光子晶体光纤的横截面图。这个横截面的图示说明如图2所示。采用扫描电子显微镜观察时聚合物涂覆层已被去除,所以在图1中观察不到涂覆层。图2中描述的是横截面的折射率分布。光纤中央有稀土掺杂的纤芯,这个纤芯被纯二氧化硅制成的泵浦波导围住,泵浦波导被空气孔层围住。支撑层和聚合物涂覆层是为了增加光纤的机械强度和保护光纤不受外部环境的侵害,是必不可少的。泵浦波导的包层中空气孔使它的折射率非常低,从而使得泵浦波导的数值孔径(NA)很高。优良的NA是PC-DCF最有吸引力的优点。
另外,PCF能在一个很宽的波长范围内很好地控制色散。比起传统的PCF,PC-DCF的有效面积可以更灵活的设计。因此从理论上来说PC-DCF可以在超宽带波长范围内实现色散补偿。
3双包层光子晶体光纤的缺点
虽然DC-PCF有不寻常的NA特性,但是因为难于处理,它仍然没有应用于大量生产。例如,通常采用利用V槽进行侧面泵浦或多模耦合来构造聚合物DCF放大器。运用这些方法时,空气孔层阻碍了外来的泵浦光进行耦合,这对侧面泵浦来说是个障碍。这个空气孔层能通过用氢氟酸腐蚀来去除,但是这也削弱了光纤强度。将DC-PCF应用到实际生产中还必须进行深入研究。
此外,将DC-PCF与锥形多模光纤连接到一起的同时产生很低的插入损耗是很困难的,从图3所示。空气包层模式将多模光束限制在锥形区域。空气孔被连接区域周围的热熔接压塌,大量泵浦光通过坍塌区域逃脱到支撑层。消除这些坍塌可以解决这个问题,但是连接两端光纤时,有些坍塌是必要的。
由于以上这些原因,需要侧面泵浦和利用锥形多模光纤连接的PC-DCF不适合构建放大器。传统的透镜耦合方法被考虑作为可行的解决办法。然而,用这种方法处理高功率需要仔细留心,高光功率产生的热量能轻易地移动透镜和滤波片。
4双包层光子晶体光纤的应用
前面已经提到高的NA是PC-DCF最有吸引力的特性。高的NA能减少泵浦波导的横截面积,因为使用高放大率透镜时,泵浦光能被汇聚到泵浦波导并且产生一个非常小的焦点直径。高峰值功率脉冲放大器的光纤长度应该尽可能短,以便减少光纤中的非线性效应。由于光纤长度较短,提高泵浦光吸收效率就很有必要。泵浦光吸收率由纤芯与泵浦波导的面积比率和纤芯中稀土掺杂总量决定。可以说泵浦波导横截面积小的PC-DCF的光纤长度短于相同情况下聚合物类型的光纤长度。因此,用一段长度较短的PC-DCF获得足够的光纤增益是可能的。PC-DCF不仅适用于高峰值功率脉冲放大,而且适用于高平均功率连续波放大。包层泵浦光子晶体光纤放大器的发展才刚刚开始。在不久的将来还会出现很多有意义的成果。双包层光子晶体光纤与聚合物双包层光纤相比较的优点和缺点如表1所示。
5结语
根据以上分析,光子晶体光纤的高数值孔径对于增加泵浦光在短长度内的吸收率非常有效,同时,光子晶体光纤的大数值孔径对于降低高功率放大器中有害的非线性光学效应也十分有利。
参考文献
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光子晶体中的反常折射现象论文 篇5
光子晶体的特殊性质具有很大的潜在应用前景，近些年，光子晶体成为了热门的研究课题。
光子晶体在通信中的应用给人们带来了光子晶体光纤，随着人们对通信速度和容量要求的不断提高，传统电子器件已经很难满足用户需求，光子晶体光纤有着更高的信息容量、更快的反映速度、更强的互连能力。
光子晶体的广泛应用给各个领域和行业都带来了巨大改变。
光子晶体还能够实现慢波、自聚焦等，未来光子晶体广泛应用已经成为必然趋势。
五筒晶格光子晶体的带隙分析 篇6
摘要： 在三角晶格和六角晶格基础上设计了一种五筒型光子晶体，分析了空气孔型和介质柱型两种类型光子晶体的带隙与晶格半径、介电常数和形状之间的关系：随着介电常数的增大，两种类型光子晶体的带隙所对应的归一化频率都逐渐减小；随着晶格半径的增大，介质柱型光子晶体带隙所对应的归一化频率逐渐减小，而空气孔型光子晶体则逐渐增大；对于介质柱型光子晶体，圆形晶格其归一化频率最大，方形晶格最小，而空气孔型光子晶体与之相反。
关键词： 介质柱型； 空气孔型； 五筒光子晶体； 完全带隙
中图分类号： O 743文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005
引言光子晶体（photonic crystals）是在1987年由Yablonovitch[1]和John[2]分别独立提出的，是一种介电常数（折射率）周期性变化的人工晶体，这种特殊的结构，使其可以控制和抑制光子的运动特性。自提出开始，就成为各国科学家的研究热点，美国的《科学》杂志在1999年12月17日把光子晶体列为十大科学进展之一。一般来说，光子晶体的带隙越宽，其性能就越好。吉林大学的宋俊峰等人讨论了介电常数与填充比对光子晶体的带隙分布的影响，得到了二维三角形晶格结构的空气柱型光子晶体在介电常数比为13∶1，填充比为 0.78时会出现最大的禁带，最大带宽为0.094[3]。庄飞等人针对空气孔型二维六边形晶格光子晶体进行研究，发现在特殊背景材料下可以出现完全带隙，并得到光子带隙最大时的结构参数[4]。田慧平等人研究了介质柱横截面为正六边形、正方形和圆形的二维光子晶体，通过改变介质柱长宽比并旋转一定角度可以增大其光子带隙[5]。目前，探索更大禁带宽度的光子晶体结构仍然是该领域的研究方向之一[611]。1五筒光子晶体的带隙分析五筒型光子晶体的晶格结构[12]是在三角晶格和六角晶格的基础上提出的，属于准晶体结构。文中针对介质柱型和空气孔型两种类型中柱或孔的形状，分别设计了圆形、方形和六边形三种不同类型的五筒型光子晶体，结构如图1所示，在介质柱型光子晶体中，深颜色区域表示介质柱，在空气孔型光子晶体中，深颜色区域表示空气孔。
平面波展开法（plane wave expansion，PWE）是研究光子晶体禁带最常用的方法之一，利用该方法分别对六边形，正方形和圆形介质柱型或者空气孔型五筒晶格光子晶体的带隙进行仿真分析，分别讨论柱或孔折射率、半径和形状这三个影响因素对光子晶体完全带隙的影响。下面所有结构的晶格常量a=1 μm，仿真过程中，主要参数如下：晶胞单元如图2所示，特征值公差为1.0×10-8，能带数为8，简约布里渊区如图3所示，在对称点Γ、K、M、Γ的每两个点之间插入四个中间点，激励源默认，晶格类型为六角x-z。
由图6可以发现：对于空气孔型光子晶体，其晶格半径的增大相当于减小了其有效折射率，故随着晶格半径的增大其带隙所对应的归一化频率逐渐增大，这一特点是与其他类型光子晶体是不同的；对于介质柱型光子晶体，随着介质柱晶格半径的增大其完全带隙对应的归一化频率逐渐增大，且按照方形柱、六角柱、圆柱的顺序依次减小；三种不同形状空气孔型和介质柱型光子晶体存在完全带隙时的参数和条件如表1所示。
最高从表3的数据可以发现：对于三种不同形状介质柱的光子晶体，方形光子晶体的柱面积最大，增大介质柱面积相当于增大了其有效折射率，所以TE模和TM模所对应带隙的归一化频率最小，圆柱光子晶体柱面积最小，则带隙所对应的归一化频率最高；六边柱光子晶体带隙的归一化频率居中。比较表2和表3的数据还可以发现：对于同一形状的光子晶体来说，介质柱型光子晶体相对于空气孔型更容易具有TE模禁带。2结论对于二维五筒光子晶体，对比分析了介质柱型和空气孔型两种类型的禁带带隙分布，分析了每种类型光子晶体的完全带隙与半径、介电常数之间的关系。随着晶格半径的增大，空气孔型光子晶体完全带隙所对应的归一化频率逐渐增大，而介质柱型光子晶体完全带隙所对应的归一化频率逐渐减小；随着介质介电常数的增大，两种类型光子晶体完全带隙所对应的归一化频率都逐渐减小。综合对比发现：介质柱型光子晶体产生的完全带隙更宽，并且完全带隙对应的归一化频率按照方形柱、六角柱、圆柱的顺序依次增大，方形介质柱最容易产生完全带隙，而圆柱介质柱最不容易形成完全带隙。在实际应用时可以根据需要把介质柱或者空气孔的形状和半径相应变化，选择出最适合的参数，就能得到较理想的带隙特性。
参考文献：
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光子晶体光纤的特性与研究现状 篇7
光子晶体光纤(PCF)的概念由J.Russell等人于1992年提出,其结构是由石英棒或石英毛细管排列拉制后在中心形成缺陷孔或实心。1996年Knight等人首次制造出了具有周期性结构包层的PCF,1998年Knight等人又研制出包层具有蜂窝型空气孔排列结构的光子带隙光纤。PCF有两种类型:一种是具有石英-空气基质包层的实芯石英光纤,它由纯石英纤芯和具有石英-空气基质的包层材料组成;另一种是具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤。PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性,有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性,有效地克服常规光纤的设计缺陷,以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体,并把双包层概念引入到光子晶体光纤中,可以研制光子晶体光纤激光器。本文阐述了PCF的一些独特光学性质,总结了光子晶体光纤的研究成果。
2 光子晶体光纤的导光原理
根据纤芯引入缺陷态的不同,PCF导光机理可以分为两类:全内反射型和光子带隙型。
2.1 全内反射型PCF导光原理
周期性缺陷的纤芯折射率(石英玻璃)大于周期性包层折射率(空气),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。
2.2 光子带隙型PCF导光机理
理论上求解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,即光子带隙导光理论。在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯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。当小孔间距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。这种PCF可传输99%以上的光能,而空间光衰减极低,光纤衰减只有标准光纤的1/2~1/4。
3 光子晶体光纤的分类
3.1 空心光子晶体光纤
空心光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料围成的空心中传输。因为只有很少一部分光在硅材料中传输,所以相对于常规光纤来说,材料的非线性效应明显降低,损耗也大为减少。空心光子晶体光纤有可能成为下一代超低损耗传输光纤,空心光子晶体光纤将广泛应用于光传输,脉冲整形和压缩,传感光学和非线性光学中。
3.2 高非线性光子晶体光纤
高非线性光子晶体光纤中的光是在由周期性排列的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。通过选择相应的纤芯直径,零色散波长可以选定在可见光和近红外波长范围(670nm~880nm),可用于频率度量学、光谱学或光学相干摄影学中产生超连续光。
3.3 宽带单模光子晶体光纤
常规单模光纤实际上是波长比二次模截止波长小的多模光纤,而宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的单模光纤,这种特性是由于其包层由周期性排列的多孔结构构成,主要用于短波长光传输,传感器和干涉仪。
3.4 保偏光子晶体光纤
传统保偏光纤双折射现象由纤芯附近合成材料热扩张差异差形成。保偏光子晶体光纤是由非周期结构纤芯中空气和玻璃的大折射率差而形成双折射现象,从而得到更小的拍长,减小偏振态和保偏消光比之间的耦合曲率,主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪。
3.5 超连续光谱发生器的光子晶体光纤
超连续光子晶体光纤是特别设计用来把一种新的Q变换Nb3+微芯片激光器变成一种结构紧密,低成本,谱宽覆盖550nm~1600nm范围,平坦度好于5dB的超亮光超连续光源。由于有较好的色散系数,20m长的这种光纤就可以实现与脉宽为1ns,重复率为6k,平均功率为几十毫瓦的脉冲激光器具有几乎相同的变换效率。超连续光源主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干涉计、光相干摄像和光谱学中。
3.6 大数值孔径多模光子晶体光纤
大数值孔径多模光子晶体光纤中的光是在由同心环的硅材料空气孔围成的实心硅纤芯中传输。由于实心纤芯和包层的大折射率差,使得该光纤数值孔径比全硅多模光纤大得多。大数值孔径增加了从白炽灯或弧光灯热光源和从低亮度半导体激光器获取光的能力。这种光纤在633nm处数值孔径可达0.6,主要应用于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器中。
4 PCF的特性
4.1 无截止单模
普通单模光纤随纤芯尺寸的增加会变成多模光纤。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,因此通过改变空气孔间距可调节模场面积,在1550nm可达1~800μm2,已制成了680μm2的大模场PCF,大约为常规光纤的10倍。小模场有利于非线性产生,大模场可防止发生非线性,这对于提高或降低光学非线性有极重要的意义。这种光纤具有很多潜在应用,如激光器和放大器(利用高非线性光纤),低非线性通信用光纤,高光功率传输等。
4.2 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。
4.3 极好的非线性效应
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。而在光子带隙导光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[2],这个特性为制造大有效面积PCF奠定了技术基础。另外减小光纤模场面积,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。常规光纤有效截面积在50-100μm量级,而光子晶体光纤可以做到1μm量级,所以各种典型非线性光纤器件如科尔光闸、非线性环形镜等就可以做成比普通光纤短100倍。通过改变孔间距可以调节有效模场面积,调节范围在1.5μm波长处约为1-800μm。在孔中可以装载气体,也可以装载低折射率液体,从而使PCF具有可控制的非线性。
4.4 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[3]。
4.5 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。
4.6 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。
5 光子晶体光纤的研究成果
1996年,英国南安普顿大学光电研究中心和丹麦技术大学电磁系首先报道了成功制备出PCF。莫斯科大学A.M.Zheltikov 等人也进行了包层具有周期分布空气导孔的多孔光纤的研制。研究发现,改变多孔光纤包层的几何结构,可有效地增强光纤中非线性效应。这种方法可应用于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强。
2001年,英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。双包层光子晶体光纤掺杂离子为Yb3+离子,纤芯直径15.2μm,数值孔径0.11,内包层直径150μm,数值孔径0.8,利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦该光纤,光纤长度为17m,获得了3.9W功率输出,斜效率21%。实验中发现,双包层光子晶体光纤存在随机散射中心,说明纤芯中存在着缺陷,有待进一步完善光子晶体光纤的结构。
2002年,日本Norihiko等人以锁模掺Er3+光纤激光器为泵浦源,结合周期极化LiNbO3,泵浦长60cm的高非线性PCF,得到波长调谐范围为0.78-0.90μm的孤子脉冲,脉宽为55fs,所用PCF芯径为1.7μm,零色散波长大约在0.69μm处。
2003年1月,Wadsworth等人报导了利用大模面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器,为双程后向线性腔结构,最大输出功率3.9W,斜率效率30%,实现单横模运转。所采用的PCF纤芯直径为15μm,内包层数值孔径大于0.8。为了使包层中的泵浦光最大限度的耦合到纤芯中,提高纤芯对泵浦光的吸收,PCF的掺杂纤芯采用了偏芯设计。
2004年,Blaze曾发布了一款新型PCF,该光纤是针对Nd33+微芯片激光器特别优化设计的,可产生超连续光谱,这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出,光谱亮度超过太阳10000倍。Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可获得高性能光源,将会取代超高亮度LED等传统的宽带光源。清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值,所选择PCF结构参数为:空气孔间距为0.8μm,空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。研究结果表明:PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中具有极大的应用价值。
2005年,英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱,日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦保偏PCF中,在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱,而美国Rochester大学Z.M.Zhu等人利用丹麦Crystal Fiber A公司低双折射、高非线性PCF获得600~1000nm的超连续谱[4]。
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光子晶体光纤 篇8
光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的概念最早由ST.J.Russell等人于1992年提出,它由石英棒或石英毛细管排列而成,在中心形成缺陷,所以又被称为多孔光纤(Holy Fiber)或微结构光纤(Micro-structured Fiber)[1]。由于光子晶体光纤具有特殊的光学特性,而引起了人们浓厚的兴趣[2,3,4,5,6,7,8,9]。
目前,光子晶体光纤光栅已经成为新一代光电子功能器件研究的热门领域,它以其具有的独特结构和性质表现出极大的应用潜力。光子晶体光纤光栅具有许多独特的优良性质,通过改变光纤光栅的折射率分布能够实现很多传统光纤光栅达不到的特殊功能。为了更好地推动国内光子晶体光纤光栅的制备与应用研究,本文就光子晶体光纤的制造工艺技术进行了初步研究,构建了相关的光子晶体光纤制造系统,提出了光子晶体光纤的制造技术路线,并制造出了光子晶体光纤样品。
1 光子晶体光纤的分类
光子晶体光纤根据导光原理可以分为两种[10],一种是光子带隙光纤(Photonic Band Gap PCF,PBG-PCF),另一种是改进的全内反射PCF(Total Internal Reflection PCF,TIR-PCF),也称作折射率引导PCF(Index Guiding PCF)。
TIR-PCF与传统光纤的差别在于包层具有与PBG-PCF相似的六角形排列的空气孔,正是这种周期性结构提供了许多独特性质。由于不依赖光子带隙,包层中空气孔并不要求大直径,排列的形状与周期性要求也不严格,甚至包层中可为无序排列的空气孔,同样可以实现相同的导光特性。比较两种PCF,全内反射PCF无论在理解或是制作上都更为简单,因为它可沿用经典的全内反射理解导光机制,而且不需要精确的空气孔排列,更适合于制作,故在目前大多数的研究和应用都是针对全内反射型PCF。
2 柚子型光子晶体光纤结构特点
柚子型光子晶体光纤是一种特殊空气孔排列的折射率引导型微结构光纤[11],内包层外分布着六个大的葡萄形空气孔,将传导的能量主要限制在纤芯中,几乎不受外界影响。光纤的纤芯部分通过掺杂锗元素来增强光纤的光敏特性,包层中大的空气孔使得纤芯与包层的折射率差近似为纤芯的折射率,结构如图2所示。
3 柚子型光子晶体光纤的制造工艺
对于光子晶体光纤的制备,其基本制作过程与传统光纤相似,主要分为两个步骤,即预制棒的制备和拉丝两个过程,预制棒的制棒技术有堆拉法、挤压法、起泡法、酸腐蚀法等[12]。目前,采用堆积法制备光子晶体光纤的制备技术已经比较成熟,可以稳定地拉制出多种结构的PCF,堆积法是制备光子晶体光纤最早使用的一种方法,也是目前制备PCF的主要方法之一。自2001年起,我院开始对PCF的制作进行研究,经过不断的摸索、实践和努力,形成了制作PCF的一套工艺体系。因此,文中采用较为成熟的堆拉法工艺制造PCF,具体的制造工艺技术路线如图3所示。
3.1 选用高纯石英材料拉制微型毛细管
微型高纯石英毛细管是光子晶体光纤的基本组成部分,它的制作水平直接关系到光子晶体光纤的性能,因此我们选用了高纯石英管来拉制微型毛细管。石英管几何尺寸的好坏直接影响着拉制毛细管的一致性。石英毛细管一致性好,不仅有利于预装件的组装,而且能够保证光子晶体光纤的纵向一致性,石英管材的几何尺寸偏差应满足要求,且外径、截面积、椭圆度、偏壁度、弯曲度等偏差要尽量小。考虑到以上因素,在制作柚子型光子晶体光纤时,选用的高纯度石英管的各种几何尺寸偏差均小于0.5%。
3.2 预制棒的制备
预制棒的制备工艺是影响光纤质量的关键因素之一,为满足预制棒的一致性,设计了独特的拼装夹具,利用拼装夹具可以方便的将毛细管拼成设计的结构,以保证预制棒结构的一致性,然后再将毛细管的一端封住,最后套入石英管中固定即可。在这个过程中,毛细管的均匀性非常关键,如果毛细管外径差别偏大,会导致毛细管排列不紧密,拉丝时气孔不均匀,因此在拼装前必须经过严格的筛选,筛选出尺寸规格偏差非常小的毛细管用来拼装。
3.3 光子晶体光纤的拉制
光子晶体光纤各种优良的光学性质是由其特殊的组成结构决定的,它由很多的微孔组成。普通光纤拉丝时温度较高,需2 000℃以上,但对于光子晶体光纤而言,如此高温将导致石英软化收缩,最终会使微孔减小甚至完全消失。为避免石英毛细孔收缩,需使拉丝温度降低到1 800℃以下,但拉丝温度过低,又会增加光纤损耗,强度变差。所以本文采用在拉丝的同时加压的方式来解决这个棘手的问题,温度适当提高到1 850~1 900℃范围内,光纤损耗可以降低,采用加压的方式可以使气孔减慢收缩,使成纤时还能保持空气孔排列均匀且不收缩。
拉制光子晶体光纤时所加压力很小,属于微压控制范畴。预制件空气孔中气体受到高温加热后迅速膨胀,需及时排出,否则极易造成预制件被涨破,导致试验失败,对加压装置的控制精度要求极高。因此,设计了精度较高的压力控制系统,控制精度在±10 Pa,用以控制管内压力的大小。此外,拉制光子晶体光纤时,需确定适宜的压力值,太小毛细管会收缩,太大毛细管会涨破。经过多次试验表明:压力在1 500~2 000 Pa范围内可以得到结构相对较均匀的柚子型光子晶体光纤。
4 性能测试
4.1 几何尺寸的测试
研制的柚子型光子晶体光纤结构如图4所示,其具有较好的结构对称性,经测试其外包层直径为130μm,孔直径为30μm,光纤涂层直径为250μm,基本达到了最初的设计要求。
4.2 模场直径的测试
图5、图6是光子晶体光纤的模场图,在1 310 nm和1 550 nm的模场直径分别为8.57μm和11.27μm,跟目前商用单模光纤的模场直径差比较接近。
4.3 光学损耗的测量
光子晶体光纤的损耗分为散射损耗、吸收损耗和与结构有关的限制损耗[13,14,15]。散射损耗主要依赖于包层中空气孔界面的光滑程度以及截面的功率分布。散射损耗主要有瑞利散射损耗和缺陷损耗。瑞利散射损耗是由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的,它将导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。对于光子晶体光纤来说,缺陷损耗是一个严重问题。高的缺陷损耗是由于空气孔表面的不光滑导致的,捆扎过程导致了空气孔表面的破损和污染物,从而引起缺陷损耗。提高抛光和刻蚀工艺对降低缺陷损耗有很大的好处。拉丝过程中的不均匀可能导致另外的缺陷损耗。吸收损耗主要包括紫外吸收损耗、红外吸收损耗和杂质吸收损耗,实际上影响光纤损耗的最重要的杂质吸收损耗是基态振动吸收峰在2.37μm处的OH¯离子,因而在光纤制造过程中采取预防措施来减小OH¯离子的浓度,采取脱水处理对降低OH¯离子吸收损耗具有明显效果。
图7为研制的柚子型光子晶体光纤的损耗谱,光学损耗在1 310 nm处为6.35 d B/km,在1 550 nm处损耗为3.5 d B/km。
结束语
总之,柚子型光子晶体光纤的制作工艺非常严格。首先,严格控制原材料的整体质量,椭圆度、偏壁度、弯曲度均小于0.5%,以此保证柚子型光子晶体光纤的质量与性能;第二,预制棒的拼装过程中设计了独特的拼装夹具,以保证预制棒结构的一致性;第三,设计了精度较高的压力控制系统,用以控制管内压力的大小,控制精度在±10 Pa。试验表明:压力在1 500~2 000 Pa范围内可以得到结构相对较均匀的柚子型光子晶体光纤。光纤测试结果表明,研制的柚子型光子晶体光纤的几何参数和光学参数已达到工程化应用指标,为进一步开发高灵敏度的光纤光栅奠定了基础。当然,通过对光纤制作工艺的研究,我们取得了丰富的实战经验,为今后改善优化光纤结构、提高光纤性能奠定了坚实地基础。
摘要：本文采用堆拉法自主研制了一种新型的柚子型光子晶体光纤,并详细分析了光子晶体光纤的制作工艺。在预制棒制作方面,设计了独特的拼装工具辅助预制棒的拼装,提高了预制棒的一致性。在光纤拉制方面,设计了精度较高的微压控制系统来控制毛细管内压力的大小。经多次试验表明:当温度在18501900℃、压力在15002000Pa时,可以得到结构相对均匀、损耗较小、强度较好的柚子型光子晶体光纤。对光纤性能进行了测试分析,光纤包层直径为130μm,涂敷层直径为250μm,在1550nm处模场直径为11.27μm,光纤损耗为3.5dB/km,测试结果表明,研制的柚子型光子晶体光纤的几何参数和光学参数已达到工程化应用指标,为进一步开发高灵敏度的光纤光栅奠定了理论基础。
双芯光子晶体光纤温度传感器 篇9
光子晶体光纤(PCF)具有无截止单模特性、可控的非线性效应、可控的色散特性和低损耗特性等[1],结构灵活多样,广泛应用于传感领域。在温度传感方面,一般是通过在PCF中填充温敏液体来提高其对温度的灵敏度。传统的PCF温度传感器如光子晶体光栅、带隙型PCF等,大都依靠检测透射光谱来感知温度的变化,制造工艺复杂,设备成本较高[2]。
本文设计了一种混合导光机制的双芯PCF温度传感器,在两芯间的空气孔中注入液晶材料。利用光束传播法(BPM)对双芯透射功率进行了计算,得出了温度与双芯功率的关系,分析了其传感特性。结果表明:基于混合导光机制的双芯PCF温度传感器可以实现较高的灵敏度,输出光功率随温度的变化可以达到2.5 mW/K,提高输入的光功率可以使精度更高。
1 双芯PCF结构
本文设计的双芯PCF温度传感器,液晶填充在双芯间的空气孔中,如图1所示,白色圆柱表示PCF的空气孔,光纤中央黑色圆柱表示注入液晶的空气孔,光在全内反射和光子带隙效应的作用下在两纤芯中传播,实现混合型导光机制。
图2所示为混合导光机制双芯PCF的剖面图。黑色的圆代表空气孔,灰色均匀的圆表示填充液晶的空气孔。可见,折射率高于背景材料的液晶填充
图双芯的剖面图在双芯间的空气孔中。每个纤芯被空气孔和高折射率柱束缚,纤芯中光场的性质由全反射和带隙效应两种导光机制共同决定,高折射率液晶柱引起的光子带隙(PBG)效应会对双芯耦合特性产生重要的影响。图中,空气孔直径为d,相邻空气孔距离为Λ,填充液晶的折射率为n(T),背景材料的折射率为n0,材料色散暂不考虑。
2 传感原理
本文采用的液晶材料的折射率是温度的函数,温度变化会导致中心含液晶材料的介质柱的折射率发生变化,对双芯间的耦合特性产生影响。如图1所示,光从一个纤芯射入,功率为P0,由于耦合作用在两芯中交替传播,温度的变化会使两芯输出的光功率产生变化,探测输出的光功率P1、P2,就可以得到温度的变化。
2.1 液晶的温度特性
液晶(LC)是一种高分子材料,它在一定温度或浓度的溶液中,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性。本文采用向列向液晶5CB(4-Pentyl-4-cyanobiphenyl,4戊基4氰基体系),当温度低于其向列向转变温度Tc(Tc<100℃)时,其折射率是温度的函数n(T)[3],即
式中,T为工作温度,采用绝对温标;A、B和C是温度系数。5CB向列液晶分子长轴方向为光子晶体的轴向,入射光偏振方向与分子长轴方向相同时为o光,折射率为no;入射光偏振方向与分子长轴方向垂直时为e光,折射率为ne。o光与e光折射率温度系数是不同的。
2.2 耦合原理
双芯PCF的工作机理是双芯间光波场的横向耦合。当光射入其中一根纤芯时,随着传播距离的增加,全部或部分的光能量会转移到另一根纤芯中,随后又返回到入射纤芯,光能量循环往复地在两个纤芯间发生交换。耦合现象可用波导的横向耦合理论来解释[4],耦合长度Lc定义为入射光功率从一根纤芯全部转移到另一根纤芯所需的光纤长度,即
式中,βs、βa分别代表奇模和耦模的传播常数。对于光纤中的每一种传播模式,有效折射率为neff=β/k0,其中β表示传播常数,k0是自由空间波数,且k0=2π/λ。随着温度的升高,液晶折射率下降,引起模式有效折射率下降改变模的传播常数可以使耦合长度发生变化,从而使模式传播的耦合长度发生改变。
3 仿真结果分析
本文所采用的混合导光机制双芯PCF的参数如下:d=0.6μm,Λ=1.6μm,背景材料折射率n0=1.45,在光纤中央填入液晶材料5CB[5],采用偏振方向垂直于光纤径向的入射光,所以折射率取e光折射率ne;查文献[3]可得,e光折射率温度系数A=1.986、B=7.993×10-4、C=1.209×10-4,光纤长度L=2 048 nm,入射光波长为633 nm,光源可以采用氦氖激光器,输出光功率是100 mW。传感器工作时,光从双芯中的一个芯入射,检测两芯输出光功率时,可以在光纤出射端面前放置显微镜,使光纤模场得以放大,再使出射光输入光电探测器就可得到双芯的光功率[6]。
图3所示为依据式(1)中液晶的e光折射率温度系数A、B、C计算得到的液晶折射率与温度的关系曲线。由图3可知,在0～100℃(即273～373K)范围内,折射率与温度近似呈线性关系,折射率随温度升高而减小,dn/dT≈1×10-3/K。
(1)温度对混合导光机制双芯PCF有效折射率的影响
本文用时域有限差分(FDTD)法仿真了温度变化对光纤中基模有效折射率的影响。图4所示为Exo模式的有效折射率随温度的变化曲线,可见有效折射率随着温度的升高而降低,亦近似呈线性关系,
(2)温度对耦合长度的影响
本文用FDTD法计算了不同温度下光在双芯PCF中传播的耦合长度Lc,并用MATLAB软件对Lc用曲线进行了拟合,所得耦合长度与温度变化的关系如图5所示。图5表明,随着温度的升高,耦合长度逐渐变小,而且温度越高,耦合长度变化速度越快。当温度从280 K升高到320 K时,耦合长度只减小了约100μm,而当温度从320 K升到360 K时,耦合长度减小了约300μm。
图5表明,温度变化引起的折射率变化对混合导光机制双芯PCF的传播影响是显而易见的。由于液晶的折射率会随着入射光波长的改变而改变,而能在双芯中传播的光波其波长受到光子晶体带隙的限制,所以仅对633 nm波长进行了计算。
(3)透射光功率与温度变化的关系
用Rsoft软件计算的透射光功率与温度变化的关系如图6所示。图中曲线(1)和(2)分别代表两个纤芯中的光功率变化,曲线(3)代表的是由液晶构成的介质柱中的光功率,可以看出,光主要是在两芯中交替传播,由液晶构成的介质柱中的光强很弱,对两芯的耦合状态影响不大。温度变化时,由于耦合长度发生了改变,所以双芯的出射光功率P1、P2也随之发生变化,温度从273 K升高到373 K的过程中,两芯的功率呈振荡变化,温度越高,变化越快。
由图6可见,温度范围在300～340 K区间和340～360 K区间时,温度与输出光功率可近似为单值对应,可以用于温度传感。当温度超过360 K时,光功率随温度变化过快,不适宜温度传感应用。图6中在340 K前后光功率随温度变化的趋势是不同的。图7所示为温度在300～340 K区间时两芯的输出功率,功率变化约为-2.5 mW/K。图8所示为温度在340～360 K区间时两芯的输出功率,功率变化约为5.0 mW/K。在实际应用中可以用变化趋势的不同标定出温度范围。
由仿真结果可以看出,在温度较高的区域,功率随温度变化更明显,灵敏度更高。而在一定程度上提高输入光功率,可以使传感器灵敏度得到提高。
图6、图7和图8都采用了归一化光功率。通过测量每个温度下所对应的双芯PCF透射光功率,就可以得到当前的温度值,实现温度传感。本文采用5CB液晶使温度传感范围有所扩大,制作流程较易施行,传感精度有所提高。
4 结束语
本文设计了一种基于混合导光机制的双芯PCF温度传感器,采用在中间空气孔加注对温度敏感的液晶的方法,简化了制作流程,提高了传感精度。本文用BPM对双芯PCF温度传感器进行了仿真计算结果表明随着温度的升高双芯的耦合长度逐渐减小,使得出射的光功率呈现变化;在单调温度变化区,通过测量双芯透射光功率就可以实现对温度的测量;在较高的温度下,传感范围有所减小,但是传感性能更好。与高双折射光子晶体温度传感器相比,本文设计的温度传感器精度有很大提高,对光功率的测量更易于实现。
参考文献
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[2]于秀娟,张敏,廖延彪.光子晶体光纤长周期光栅制作技术与应用最新进展[J].激光杂志,2008,29(5):4-8.
[3]Pochi Yeh.Optics of Liquid Crystal Displays[J].Op-tical Society of America,2007,2(1):1-2.
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[5]Roey J Van,Donk J van der,Lagasse P E.Beam-propagation method:analysis and assessment[J].JO-SA,1981,71(7):803-810.
高双折射光子晶体光纤的特性研究 篇10
关键词：光子晶体光纤,高双折射,色散,非线性折射系数
1992年J.Russell等人最早提出了光子晶体光纤 (PCF:Photonic Crystal Fiber) 的概念, 随后不同结构、不同特性PCF被相继报道[1,2,3]。高双折射光纤在高速光通信系统、光纤传感和精密光学仪器等领域都有着重要的应用, 引起科研人员的高度关注[4]。其单模特性[5], 高非线性[6], 大有效模场面积, 高双折射[7], 低色散等特性是传统光纤不具备。有效地改变光子晶体光纤包层中空气孔的形状[8], 大小和位置可实现高双折射特性, 该方法实现的双折射B比普通的保偏光纤至少高一个数量级。
1理论
根据有限元法[9,10], 计算了六边形光子晶体光纤有效折射率的实部Re[neff]与虚部根据Im[neff]的实部, 进而可获得光子晶体光纤的下列参量。
色散系数:其中为波长, C为光速。
限制损耗:
2数值模拟与结果分析
图7给出了相对色散斜率随波长的变化。由图可见RDS在波长为0.85μm处近似为0, 此时色散出现一个极大值。由图9所示, 在波长为1.05~1.25μm之间, RDS变化很快, 此时色散变化幅度很大。
3结语
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