光子晶体光纤带隙及模场的一种综合模拟分析方法

提出直接由MATLAB读入光纤端面图实现复杂结构光子晶体光纤(PCF)模型的快速建立,并综合平面波法(PWM)和频域有限差分(FDFD)法,模拟分析带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)的带隙和模场分布.利用PWM计算得到了在PBG-PCF中传输的光波频率及模式有效折射率范围;基于FDFD法在给定波长及模式有效折射率范围情况下,模拟得到了PBG-PCF中可能存在的模场分布及其他特性.以市售的PBG-PCF为例,验证了数值模拟的正确性,随后系统地分析了结构参数(晶格结构、"原子"占有率、背景材料折射率及"原子 关键词： 光子晶体光纤(PCF) 光子带隙(PBG) 平面波法(PWM) 频域有限差分法(FDFD)     

应用于液压传感的光子晶体光纤特性

为实现结构紧凑、高灵敏度的光纤压力(液压)传感器,提出了一种应用于液压传感的边孔结构光子晶体光纤.基于全矢量有限元方法,研究了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤的有效折射、模式等特性以及在液压情况下的应力和应力特性.根据光弹效应给出了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤在液压情况下的折射率变化特性.模拟结果表明边孔结构光子晶体光纤可以获得更大的液压传感灵敏度,增大边孔半径可以提高液压传感灵敏度,因此结构优化的边孔结构光子晶体光纤可以实现高灵敏度的光纤压力(液压)压力传感器.     

应用于液压传感的光子晶体光纤特性

为实现结构紧凑、高灵敏度的光纤压力(液压)传感器,提出了一种应用于液压传感的边孔结构光子晶体光纤.基于全矢量有限元方法,研究了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤的有效折射、模式等特性以及在液压情况下的应力和应力特性.根据光弹效应给出了传统光子晶体光纤和边孔结构光子晶体光纤在液压情况下的折射率变化特性.模拟结果表明边孔结构光子晶体光纤可以获得更大的液压传感灵敏度,增大边孔半径可以提高液压传感灵敏度,因此结构优化的边孔结构光子晶体光纤可以实现高灵敏度的光纤压力(液压)压力传感器.     

单模低损耗光子晶体光纤的设计及特性分析

设计了几种特殊结构的带隙光子晶体光纤,采用平面波展开法和频域有限差分方法研究了基于不同结构光子晶体光纤的带、模式、色散和色散斜率。由平面波展开法和频域有限差分方法求解麦克斯韦方程组导出本征值方程,可以得到带隙光子晶体光纤中可能存在的不同模式的传播常数、电场分布、本征频率和磁场分布。分别给出了第二圈填充率取三种不同值时带、模式、色散和色散斜率的变化。结果表明,当第二圈填充率改变时其特性有明显的变化。随着填充率从0．75减小到0．45,其二阶模分裂成两个类LP01模,可降低损耗。计算结果对单模和低损耗的光子晶体光纤的设计有参考价值。     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.     

一种新型高双折射光子晶体光纤

提出了一种新的高双折射光子晶体光纤结构.应用全矢量频域有限差分方法所做的数值分析表明：该结构光纤基模的两个正交偏振态不再简并，其模式呈现很强的线偏振特性,并且模式双折射与结构参数设置有密切关系.通过选择合适的结构参数，可以使之达到10^-2量级，比传统的D型和熊猫型保偏光纤高出2个数量级.合理设计光纤包层的几何结构，可以取得理想的色散效果.这种结构的光子晶体光纤可用于制作具有适当色散特性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件. 关键词： 光子晶体光纤 模式双折射 偏振特性 频域有限差分法     

七芯光子晶体光纤结构优化的数值分析

从耦合模方程出发,推导了描述七芯光子晶体光纤模场特性的本征方程,得到了这种结构光纤的本征值和本征矢.使用频域有限差分法数值模拟,通过改变传输波长、纤芯间距、包层孔大小分析了纤芯之间的强度分布与耦合系数的关系,分别实现了模式整形和高阶超模截止.掌握了具有强耦合特性的七芯光子晶体光纤设计规律,和这种结构光子晶体光纤的同相位超模的选取方法. 关键词： 光子晶体光纤 大模场面积光纤 多芯结构 频域有限差分法     

光子晶体光纤的弯曲损耗振荡特性分析

综合运用弯曲光纤的等效直光纤模型、全矢量频域有限差分法及各向异性完全匹配层吸收边界,计算了两种类型(折射率引导型和带隙型)光子晶体光纤(PCF)的弯曲损耗.通过数值模拟弯曲损耗随弯曲半径的变化关系,证实了两种光子晶体光纤均具有弯曲损耗振荡特性.进而分析了两种光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生机理并给出了与损耗峰对应的包层模式.结果表明,振荡的产生源于基模与包层模式的耦合,其中,折射率引导型光子晶体光纤的弯曲损耗振荡机理类似于传统双包层光纤,带隙型光子晶体光纤弯曲损耗振荡的产生则是两种不同类型的包层模式共同作用的结果.     

用于液体传感的高双折射新型光子晶体光纤结构

提出一种用于液体传感的光子晶体光纤的结构和设计方法。将六边形光子晶体光纤的纤芯区域设计成2个椭圆空气孔,分别填充水和乙醇,进而比较两种光子晶体光纤结构的传播特性。采用全矢量有限元法对所设计光子晶体光纤结构的双折射、相对灵敏度、限制损耗、非线性系数进行数值分析,对光纤各项参数的优化及纤芯椭圆结构参数进行调整,结果表明:当椭圆率为0.6时,纤芯填充乙醇的光子晶体光纤PCF2在波长1.55 nm处相对敏感度可达到72.506 7%,同时限制损耗可以降至10?8级。所设计的模型可用于传感和生物传感研究及应用。     

基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤低损耗熔接

光子晶体光纤(PCF)与普通单模光纤(SMF)的低损耗熔接技术是光子晶体光纤走向实用化必须解决的关键技术问题。提出一种基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤低损耗熔接的新方法,利用熔融拉锥机对模场不匹配的两类PCF进行预处理,结合常规电弧放电熔接技术对三种不同类型的PCF与SMF的熔接损耗进行实验研究。在实验中通过精确控制熔融拉锥机各种参数,实现了不同模场直径PCF和SMF的模场匹配,该方案同时通过优化各种电弧放电参数,使熔接后的损耗降到了0.3dB以下,实现了PCF-SMF之间低损耗、高强度的熔接,满足了不同模场PCF实际应用的要求,具有很好的潜在应用价值。     

Gas sensing properties of index-guided PCF with air-core

The gas sensing properties of index-guided photonic crystal fiber (PCF) with air-core are investigated via full-vector finite element method. The relationships between the gas sensing properties of index-guided PCF with air-core and the fiber parameters, including the fiber length and the operating wavelength, have been discussed. The simulations show that the gas sensing sensitivity of the fiber increases significantly as the diameter of the air holes increases, and it decreases with the holes pitch. Compared with the traditional PCF, there is a great improvement in the sensing properties of our design. The results are helpful for designing high performance PCF for gases or liquids sensing.     

用光子晶体光纤光栅实现温度、应力和气体浓度的同时传感

为了解决传统光纤传感在传感不同物理参量时需要多个传感器的问题,并拓展光纤在同时传感多参量方面的应用,结合光子晶体光纤（PCF）中基模与高阶模光的不同传感特性以及气体吸收传感原理,在PCF传感温度、应力双参量的实验基础上,应用理论分析的手段探讨了同时传感温度、应力和气体浓度3种参量的方法。给出了3种参量的计算式并进行了数值模拟,最后设计了一套相对简单、性价比高的传感解调系统。理论分析和数值模拟表明:温度在0℃以上时可以获得高于0.98 pm/℃的温度灵敏度;基模光应力灵敏度为1.2 pm/,高阶模光可获得高于0.83 pm/的应力灵敏度;长度较短的光子晶体光纤能够测量较高的气体浓度。本方案使用2个写入光纤布拉格光栅（FBG）的PCF作为传感器同时传感温度、应力和气体浓度3种参量,能够有效降低传感成本,拓宽气体、液体传感研究的思路。     

基于铜离子沉积石墨烯涂层锥形光子晶体光纤的硫化氢传感器

提出一种基于铜沉积石墨烯涂层光子晶体光纤马赫-曾德干涉的硫化氢气敏传感器.将45mm光子晶体光纤两端与单模光纤进行拉锥熔接,使得光子晶体光纤的空气孔熔接时形成塌陷层,更好地激发包层模式,形成基于马赫-曾德结构的干涉仪.采用单层石墨烯粉体,加入异丙醇分散液,反复浸涂至光子晶体光纤包层表面形成石墨烯涂层,并沉积铜纳米颗粒,使传感器对硫化氢气体具有高的响应度.实验结果表明,在硫化氢气体浓度为0~60ppm范围内,随着被测气体浓度不断增大,其输出光谱呈现明显蓝移,传感器灵敏度为0.042 03nm/ppm,且线性度良好.该传感器成本低、灵敏度高、结构简单,适用于低浓度硫化氢气体的在线监测.     

基于光子晶体光纤交叉敏感分离的磁场温度传感研究

提出了一种基于定向耦合效应和表面等离子共振效应的交叉敏感分离的磁场温度传感结构.在光子晶体光纤的一个特定空气孔中填充磁流体,利用磁流体的磁光效应和定向耦合效应形成磁场传感通道;在垂直方向的另一空气孔的内壁镀金纳米薄膜并填充甲苯液体,利用甲苯的温敏效应和表面等离子共振效应形成温度传感通道.对应输出谱出现两个损耗峰,测量损耗峰位置可以间接测出磁场强度和温度变化.通过理论计算()和结构优化,在90—270 Oe1 Oe=10~3/(4π) A/m范围内,磁场强度的灵敏度最高可达1.16 nm/Oe;在25—60?C范围内,温度的灵敏度可达-9.07 nm/?C.虽然填充的两种液体的折射率都受环境温度的影响,但通过建立灵敏度系数矩阵,可以消除磁场强度与温度的交叉敏感,实现磁场温度双参量的高灵敏度检测.     

用阶跃有效折射率模型研究光子晶体光纤色散特性

在采用阶跃有效折射率模型研究光子晶体光纤的可行性方面，提出了将普通单模光纤、色散位移光纤、色散平坦光纤作为一定极限条件下的折射率引导型光子晶体光纤特例的观点.通过编程计算，并与文献报道的实验数据对比，表明应用本模型可以揭示光子晶体光纤所具有的奇异的色散机理.特别是应用本模型具有更快的计算速度.还用本模型分析了空气孔直径、周期及芯径对色散特性的影响. 关键词： 折射率引导型光子晶体光纤 阶跃有效折射率模型 色散