有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析,结果表明:当包层直径小于16μm时,单模光纤Bragg光栅(纤芯直径为8.3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化.在包层外添加外包层,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算.在保证光纤归一化频率不变的前提下,芯径越小Bragg波长调谐范围越大,当包层厚度为1μm时,芯径为a＝2.2μm的光栅Bragg波长调谐范围约为3.9μm.     

基于花生形和光纤布喇格光栅结构的温度不敏感光纤曲率传感器

为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题,提出一种温度不敏感光纤曲率传感器,该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成,对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式,通过光纤布喇格光栅反射后,反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模,然后和反射的纤芯模耦合,在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外,在短波长处出现若干个谐振峰,波长越小,包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0m~(-1)时,测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10~(-7)~1.501×10~(-7) mW,灵敏度为-1.306×10~(-7) mW/m-1,在温度范围25℃~75℃内,反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.     

长周期光纤光栅耦合常数的研究

长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长时的模式耦合。由纤芯基模、一阶包层模式的场分布推得其功率分布 ,进一步得到两种模式的归一化常量。推导了纤芯基模与一阶各次包层模式 (HE1l/EH1l)的耦合常数。结果表明 ,纤芯基模与HE1l包层模式产生的耦合常数远大于与EH1l包层模式的耦合常数。次数低时 ,耦合常数随包层模式次数的升高而增大     

混合导引型光子晶体光纤中纤芯折射率相关的导光特性研究

利用全矢量有限元法研究了一种混合导引型光子晶体光纤在纤芯折射率改变时,光纤导光机理和模式的演变特性.当纤芯折射率小于混合包层中空气孔包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"双带隙导引型";当纤芯折射率位于空气孔和高折射率两套包层的有效折射率之间时,芯模的导光机理为"单带隙+全内反射导引型";当纤芯折射率大于高折射率棒包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"全内反射导引型".并对该光纤在上述三种条件下的导光特性进行了比较和讨论.这些结果对设计特殊用途的光子晶体光纤具有指导意义. 关键词： 混合导引型光子晶体光纤 带隙 模式     

模式耦合理论在圆周对称长周期光纤光栅建模中的应用

长周期光纤光栅是不同于光纤Bragg光栅的一种光纤光栅器件 ,根据模式耦合理论 ,长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯导模和同向的各阶次包层模式之间的耦合。分析研究了长周期光纤光栅轴向的模场变化。忽略轴向的模式耦合以及包层模式之间的相互耦合作用 ,并认为折射率指数的调制只存在于纤芯中 ,建立了简化的长周期光纤光栅数学模型。对圆周对称轴向均匀型长周期光纤光栅谱特性进行了仿真 ,其结果与实验结果基本吻合 ,表明了简化的数学模型的合理性     

低差分模式群时延少模光纤的变分法分析及优化

基于少模光纤的模分复用技术可使传输容量增加数倍,是目前光纤通信系统的研究热点.当复用模式数量较多时,模式之间的串扰可在接收端采用多输入多输出数字信号处理算法解决.差分模式群时延(DMGD,DMGD)越大,算法复杂度越高,为了降低接收机的复杂度需要使用低DMGD的少模光纤.本文提出了使用变分法分析任意芯层折射率高于包层的少模光纤,推导出了这类光纤中基模的模斑尺寸、各个模式归一化传播常数、相对于基模的DMGD的解析表达式,以及它们与归一化频率和光纤制造参数的关系.在此基础上,以梯度型少模光纤为研究对象,优化了光纤参数,得到能够传输前6个LP模,在C和L波段|τ_DMGD|<15 ps/km的少模光纤的优化参数为:最大芯层折射率与包层折射率之差n₁-n₂=0.01,纤芯半径a=14μm,折射率分布指数α=1.975.最后讨论了光纤制造误差对DMGD的影响.     

光子晶体光纤的纤芯等效半径分析

应用有限差分光束传播法和平面波展开法分别计算得到光子晶体光纤的基模有效折射率和包层有效折射率，结合阶跃折射率光纤的模色散方程解出该结构的等效芯半径. 通过对不同结构下光子晶体光纤的研究，找到其等效芯半径随结构参数的变化规律，并根据计算结果将此规律以近似公式的形式给出. 该分析和结果可为利用有效折射率法分析光子晶体光纤时等效芯半径的选取提供一定的理论依据.     

结构性改变长周期光子晶体光纤光栅成栅机理研究

详细分析了光子晶体光纤包层气孔塌缩对光纤传输特性的影响,建立了包层气孔塌缩结构模型,利用有限元法和局域耦合模理论对环形结构改变下形变区域的有效折射率分布和模式耦合系数进行了计算,得到了调制区域各模式的有效折射率和耦合系数分布.研究了基模和包层模的耦合规律,得到了纤芯基模(LP01)和包层模(LPll,LP02)耦合下的...     

关于镀膜长周期光纤光栅“模式转换”的新认识

依据包层模有效折射率的概念及包层模场的光功率密度分布,重新审视了镀膜长周期光纤光栅"模式转换"现象,对"模式转换"给出了新的物理图像.通过修正镀膜长周期光纤光栅包层模有效折射率的范围,指出有效折射率呈现的台阶式增长是各次包层模自身属性的反映,不存在高次模式替代低次模式的过程,并将"模式转换区"重命名为"模式垒区".通过分析包层模场的光功率密度分布,指出"模式转换区"较低次包层模式进入薄膜层传输说法的不合理性.研究表明,当薄膜厚度达到一定厚度时,包层模场光功率分布将愈加集中在薄膜层内部,但并非沿着薄膜层传输.讨论了镀膜长周期光纤光栅传感器薄膜参数优化的问题,在修正的包层模有效折射率范围和未修正的包层模有效折射率范围的情况下分别进行优化,并对优化结果进行比较,结果表明两种情况下的优化结果存在较大的偏差.从机理上解释了修正薄层模有效折射率范围后的优化结果的正确性,为设计高灵敏镀膜长周期光纤光栅传感器提供了新的理论指导.     

长周期光纤光栅模式与耦合的研究

长周期光纤光栅是在光纤纤芯中沿轴向形成折射率周期性调制的带阻型光纤器件。与光纤布拉格光栅不同，它表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长的耦合。研究了纤芯基模、包层模式（HE1t/EH1t）及其有效折射率随波长的变化，研究了纤芯基模与包层模式（HE1t/EH1t）的耦合系数。研究表明，纤芯基模与一阶低次包层模式的有效折射率随波长增大而减小，纤芯基模与HE1t产生的耦合系数远大于与EH1t的耦合系数，并且包层模式次数较低时，耦合系数随次数的升高而增加。这与以前的研究结果有所不同。     

Influence of uniaxial crystal material cladding on reflectivity and dispersion of uniform fiber Bragg grating

The fiber Bragg grating with cladding made of uniaxial crystal material whose optical axis is parallel to the axis of fiber Bragg grating proposed in the paper published in 2003 was investigated again and an error was corrected in the calculation, its effective index, reflectivity and dispersion were examined using coupled-mode theory and numeric solution. The calculated results indicate that no low frequency cutoff phenomenon exists in the HE₁₁ mode, more power is transmitted by the core of the fiber with cladding made of isotropic material, the reflectivity of the fiber Bragg grating with cladding made of uniaxial crystal material is much higher than that with cladding made of isotropic material, the parameter K_cl, i.e., the ratio of the extraordinary to the ordinary ray refractive index, has a stronger impact on the reflectivity, Bragg wavelength and the dispersion of this kind of fiber Bragg grating when it varied from 1.00 to 1.01 than in other regions. This means that the characteristics of the fiber Bragg grating with uniaxial crystal cladding can be changed through adjusting K_cl while keeping its length, periodicity and the other parameters as constants.     

Simultaneous Measurement of Temperature and Refractive Index of Liquid Using Cladding-Etched Double-Core Fiber Bragg Grating

Abstract

This study proposed and demonstrated a fiber Bragg grating sensor for simultaneous detection of the temperature and refractive index of a liquid. The fiber Bragg grating is composed of three index layers: an inner core, an outer core, and a cladding. The cladding was etched for evanescent wave coupling between the outer core mode and an external liquid. The Bragg wavelength of the inner core mode is used for obtaining temperature data, while the refractive index for the liquid was determined by using the difference between the Bragg wavelength of the inner core mode and that of outer core mode.     

低损耗大模面积W型布喇格光纤

通过有限元法建立模型,讨论了布喇格光纤设计参量对光子带隙的影响,发现当增加掺锗玻璃环的厚度或折射率时,会使带隙移向长波.通过在紧邻纤芯处施加一层掺氟低折射率玻璃,设计了一种大模面积W型布喇格光纤.计算表明:W型布喇格光纤可以有效减小限制损耗,提高光纤的抗弯曲能力.本文设计的布喇格光纤的纤芯直径为30 μm,在波长1.06 μm限制损耗约为0.1 dB/km,且维持单一横模传输.     

Reflective fiber-optic refractometer based on a thin-core fiber tailored Bragg grating reflection

A novel reflective refractometer based on a thin-core fiber (TCF) sandwiched between a leading single-mode fiber (SMF) and a fiber Bragg grating (FBG) imprinted SMF stub was demonstrated. The reflection from the fiber stub occurs in two well-defined wavelength bands, corresponding to the Bragg core mode and cladding modes. The TCF section functions as a tailorable bridge between the FBG core mode reflection and the surrounding refractive index (SRI). Linear response with enhanced sensitivity of 133.26 dB/refractive index unit for temperature-immune SRI measurement within the biologically desirable sensing range of 1.33-1.41 has been achieved via cost-effective power detection.     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.     

菲波纳契准周期超结构光纤光栅

采用相位掩模板扫描法,在单模光敏光纤中制备了中心波长为1 541.86 nm,菲波纳契序数为0～9的准周期超结构光栅.通过模拟引入相移过程中纤芯折射率的改变对制作参量进行了优化.传输矩阵分析与实验结果均表明,该超结构光纤光栅的透射谱呈现分形结构,在中心波长附近有六循环和自相似特性.所制备超结构光栅可作为C波段分形结构滤波器件在光通信和全光集成领域得到应用.     

Rapid fabrication of microhole array structured optical fibers

A microhole array in a common single-mode fiber is fabricated by selective chemical etching of femtosecond-laser-induced fiber Bragg grating (FBG), which has a laser-modified region extending from the fiber core to the cladding-air boundary due to laser self-focusing. The shape and size of the orderly microhole on the fiber surface are controlled via changing conditions of FBG fabrication and chemical etching. A simultaneous sensing for surrounding refractive index and temperature is demonstrated by this microhole array FBG through measurement of the transmission power change and Bragg resonant wavelength shift.     

隔行分层填充的太赫兹超高双折射多孔光纤

本文提出了一种对普通三角晶格多孔光纤隔行分层填充匹配材料, 实现超高模式双折射的方法. 首先, 采用全矢量有限元法对多孔度为43.08%的三角晶格多孔光纤的传输特性进行了详细研究. 随后, 为增强结构非对称性对纤芯空气孔隔行填充折射率为1.4的液体, 发现光纤的模式双折射显著提高, 在峰值处(1.1 THz)由填充前的1.05×10^-3增大到1.36×10^-2; x, y两偏振模式基模的吸收损耗系数分别由0.16 dB/cm增大到0.25 dB/cm和0.28 dB/cm; 光纤的工作带宽由1.1 THz增大到1.9 THz. 研究发现通过增大填充材料的折射率能够显著提高光纤的模式双折射; 当n=2, f=2.2 THz时, 光纤能够达到8.03×10^-2的超高模式双折射. 进一步, 采用隔行分层填充的方式, 在不同层填充不同折射率的液体, 实现折射率的梯度分布, 从而增强光纤对导模的限制能力. 结果显示, 采用该填充方法, 光纤的模式双折射在工作频段内没有峰值, 呈现单调递增的趋势. 当f=2.2 THz时, 模式双折射达到7.19×10^-2. 该设计不仅实现了超高的模式双折射, 同时还具备可调谐的特性, 对实际应用具有重要意义.