一种新型侧漏型光子晶体光纤的研制及其传输特性研究

通过引入椭圆掺锗芯和侧向泄露通道, 提出并研制出一种侧漏型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF). 应用结构重构全矢量有限元数值分析法分析了设计结构和实际研制的侧漏型PCF的传输特性. 研制的侧漏型PCF, 在波长1550 nm处基模的平均模场直径为9.275 μm, 与G652标准单模光纤具有很好的适配性, 模式双折射为0.837× 10^-4, 群双折射约为1.508× 10^-4. 基于研制的侧漏型PCF光纤构建了Sagnac干涉仪, 对其群双折射进行了测量. 测量结果表明:当侧漏型PCF光纤达到一定长度时, 在1450–1750 nm波长范围内, 二阶模在光纤中不能成为有效传输模式, 光纤可以实现单模传输; 另外, 研制的侧漏型PCF群双折射实验的测量平均值, 与数值分析结果相符合. 侧向泄露通道的引入, 增强了侧漏型PCF光纤对外界参量变化的敏感性, 提高了其在扭转、弯曲、压力等参量的光纤传感和高性能光纤激光器构建等方面的应用潜能. 关键词： 光子晶体光纤 侧向泄露通道 双折射 Sagnac干涉仪     

基于游标效应的双芯光子晶体光纤温度传感器

设计了一种基于双芯光纤耦合效应和游标效应的高灵敏度温度传感器,传感器是由2个相差一定长度的双芯光子晶体光纤和单模光纤级联构成。双芯光子晶体光纤通过级联实现游标效应,同时对纤芯中间的气孔填充乙醇实现温度传感。仿真结果表明,该温度传感器在35℃～45℃范围内的平均温度灵敏度可达-20.37 nm/℃。与单纯依靠双芯光子晶体光纤能量耦合效应的传感器相比,该传感器的温度检测灵敏度提高了10倍。     

基于侧漏型光子晶体光纤高灵敏度宽线性范围弯曲传感器的研究

基于所研制的侧漏型光子晶体光纤, 提出并研制出一种Sagnac干涉仪型高灵敏度宽线性测量范围的弯曲传感器. 实验研究结果表明, 当侧漏型光子晶体光纤中的线性缺陷与弯曲方向一致时, 采用群双折射和波谷波长偏移量测量弯曲曲率均可获得高的弯曲灵敏度, 但线性测量范围小, 且不能进行小弯曲曲率的测量. 当线性缺陷与弯曲方向垂直时, 以波谷波长偏移量进行弯曲曲率检测, 可获得10.798 nm/m^-1高灵敏度的同时且可实现0–5.03 m^-1的宽线性测量范围, 结合测量矩阵的引入可实现温度和弯曲曲率的同时测量, 进而剔除环境温度变化对弯曲曲率检测的干扰, 实现了高灵敏度宽线性范围的弯曲传感; 而以群双折射进行弯曲曲率检测, 虽然检测灵敏度较低, 但可实现对环境温度不敏感的弯曲传感. 关键词： 弯曲传感器 侧漏型光子晶体光纤 高灵敏度 宽线性范围     

基于椭球封闭空气腔的光纤复合法布里-珀罗结构折射率传感特性研究

提出了基于微椭球型空气腔的在线型光纤复合法布里-珀罗干涉结构,并对其折射率传感特性进行了研究.椭球型空气微腔是利用光纤熔接机对实芯光子晶体光纤和单模光纤以特定的熔接参数熔接形成.用高斯光束模型和ABCD法则分析了椭球型空气腔的腔内损耗,建立了电磁场在复合法布里-珀罗干涉结构中传播的物理模型.根据腔长比值的不同,环境折射率对干涉条纹的影响有对比度调制和波长调制,主要研究了一种波长调制型复合法布里-珀罗结构折射率传感器.仿真结果表明该折射率传感器在1—1.6范围内不出现折射率转折点;实验结果表明在1.333—1.466范围内,折射率灵敏度～37.088 nm·RIU-1,分辨率约为2.69×10-5.该光纤复合法布里-珀罗结构干涉条纹对比度高、体积小、成本低,用于折射率测量可靠性高、分辨率高、无折射率拐点、温度串扰小.     

Tunable and highly sensitive temperature sensor based on graphene photonic crystal fiber

Optical fiber temperature sensors have been widely employed in enormous areas ranging from electric power industry, medical treatment, ocean dynamics to aerospace. Recently, graphene optical fiber temperature sensors attract tremendous attention for their merits of simple structure and direct power detecting ability. However, these sensors based on transfer techniques still have limitations in the relatively low sensitivity or distortion of the transmission characteristics, due to the unsuitable Fermi level of graphene and the destruction of fiber structure, respectively. Here, we propose a tunable and highly sensitive temperature sensor based on graphene photonic crystal fiber (Gr-PCF) with the non-destructive integration of graphene into the holes of PCF. This hybrid structure promises the intact fiber structure and transmission mode, which efficiently enhances the temperature detection ability of graphene. From our simulation, we find that the temperature sensitivity can be electrically tuned over four orders of magnitude and achieve up to ～ 3.34×10^-3 dB/(cm·℃) when the graphene Fermi level is ～ 35 meV higher than half the incident photon energy. Additionally, this sensitivity can be further improved by ～ 10 times through optimizing the PCF structure (such as the fiber hole diameter) to enhance the light-matter interaction. Our results provide a new way for the design of the highly sensitive temperature sensors and broaden applications in all-fiber optoelectronic devices.     

一种新型高双折射光子晶体光纤特性研究

设计了一种高双折射高非线性光子晶体光纤, 采用全矢量有限元法研究了这种光纤的基模模场、双折射、非线性、有效模面积及色散特性. 数值研究发现, 减小孔间距Λ的大小, 在波长1550 nm 处, 该光纤可获得10^-2 数量级的双折射B, 比普通的椭圆保偏光纤高约两个数量级; 同时, 该光纤可获得42 W^-1·km^-1 的高非线性系数γ. 另外,分别在可见光和近红外波段出现了两个零色散波长, 在波长800–2000 nm 之间具有良好的色散平坦特性. 这种设计为获得高双折射高非线性超平坦色散光子晶体光纤提供了一种新的方法, 该光纤在偏振控制、非线性光学和色散控制方面具有广泛的应用前景. 关键词： 光子晶体光纤 高双折射 高非线性 有限元法     

八边形高双折射双零色散点光子晶体光纤特性分析

针对光纤通信和传感系统中高双折射、多零色散点的应用需求, 设计了一种新型结构的光子晶体光纤.该结构包层为圆形空气孔按照八边形形状排列而成, 并在内包层对称位置中加入两个椭圆空气孔以获得高双折射特性. 通过有限元数值分析方法对光纤特性进行分析,仿真结果表明,该结构光子晶体光纤在波长0.8—2 μm 范围内双折射可达10^-3量级,满足高双折射的应用需求,并且满足两个零色散点的应用需求. 同时光纤的非线性系数达10^-2·m^-1·W^-1量级,可应用于对非线性要求较高的场合.     

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.     

芯内双微孔复合腔结构的光纤法布里-珀罗传感器研究

提出了一种基于芯内双微孔复合结构的全光纤干涉传感器结构,建立了传感器反射光谱的理论模型,给出了反射光谱强度与微孔长度、孔内介质折射率、微孔端面反射与损耗系数以及光纤的特性参数间的关系,并模拟了传感器光谱对温度和折射率变化的响应特性.利用193 nm准分子激光器,在普通单模光纤上加工制作了具有复合腔结构的全光纤多参量传感器,进行了传感实验研究.结果表明,该传感器具有优于99%的温度、折射率线性响应度,对应两套温度和折射率灵敏度分别为-0.172 nm/℃,1050.700 nm/RIU和0.004 nm/℃,48.775 nm/RIU,不仅能够实现温度、折射率以及它们的区分测量,还能够应用于气体压力的测量,测量精度可达0.3 kPa.     

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.     

基于低双折射光子晶体光纤Sagnac干涉仪的超低温度系数扭曲传感器

研究了低双折射光子晶体光纤中由光纤扭曲造成的圆双折射效应,并应用Sagnac干涉仪结构设计了扭曲传感器.在Sagnac环中的光子晶体光纤上施加机械压力引入初始线双折射并产生正弦干涉光谱,再扭曲光纤产生圆双折射使干涉光谱随扭曲角度移动.光谱峰值波长随扭曲角度变化符合Sinc函数关系,理论分析与实验相符.传感器灵敏度为1.00 nm/°,分比率为0.01°,并具有超低的温度系数-0.5 pm/℃.     

Temperature characteristics of a core-mode interferometer based on a dual-core photonic crystal fiber

A core-mode Fabry–Perot (FP) interferometer is constructed by using a dual-core photonic crystal fiber (DCPCF). The FP cavity is formed by a single piece of DCPCF, which can also serve as a direct sensing probe without any additional components. We theoretically and experimentally studied its temperature responses in the range of 40–480 °C. The temperature sensitivity is 13 pm/°C which matches the theoretical results. Since the temperature sensitivity of the proposed sensor is independent on cavity length, precise control of the length of FP cavity or photonic crystal fiber is not required. The sensor size can be as short as 100–200 μm, and its fabrication only involves splicing and cleaving, which make the sensor production very cost-effective. The proposed FP interferometric sensor based on a DCPCF can find applications in high-temperature measurement especially those that need accurate point measurement with high sensitivity.     

Numerical study of a highly sensitive surface plasmon resonance sensor based on circular-lattice holey fiber

A new design of surface plasmon resonance (SPR) sensor employing circular-lattice holey fiber to achieve high-sensitivity detection is proposed. The sensing performance of the proposed sensor is numerically investigated and the results indicate that our proposed SPR sensor can be applied to the near-mid infrared detection. Moreover, the maximum wavelength sensitivity of our proposed sensor can reach as high as 1.76×10⁴ nm/refractive index unit (RIU) and the maximum wavelength interrogation resolution can be up to 5.68×10^-6 RIU when the refractive index (RI) of analyte lies in (1.31, 1.36). Thanks to its excellent sensing performance, our proposed SPR sensor will have great potential applications for biological analytes detection, food safety control, bio-molecules detection and so on.     

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。     

双单体分子印迹光子晶体凝胶膜检测双酚A

采用光子晶体技术和分子印迹技术结合的方法,以双酚A为模板分子、甲醇为溶剂、甲基丙烯酸和丙烯酰胺为单体、乙二醇二甲基丙烯酸甲酯为交联剂、2,2-二乙氧基苯乙酮为光引发剂,制备了具有三维有序排列大孔结构的双酚A分子印迹光子晶体凝胶膜。随着双酚A的含量从10^-10 mol/L增加到10^-3 mol/L,布拉格衍射波长红移达36 nm,肉眼可分辨出颜色变化,且波长的变化不受离子强度和阿魏酸、水杨酸、对苯二酚等测定样品结构类似的干扰化合物的影响。     

基于空气孔微结构光纤的表面等离子体共振折射率传感器北大核心CSCD

提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)效应增强的光子晶体光纤折射率传感器。该传感器结构通过光纤熔接机拼接光子晶体光纤(PCF),在光子晶体光纤中间引入一个空气孔形成PCF-空气孔-PCF的光纤传感结构,随后使用磁控溅射镀膜工艺在其表面沉积一层薄金膜制备而成。实验探究了折射率及温度对传感器的响应。结果表明,在1.333~1.389的折射率范围内,所提出的传感器的平均折射率灵敏度为2 142.52 nm,且测量线性度为0.981,品质因子约13.10。实验结果表明该传感器对温度不敏感。相比于无空气孔的PCF传感结构,引入的空气孔增强了SPR效应,使得传感器拥有良好的共振峰深度。得益于上述优势,该类型传感器有望在生物医学、环境监测等领域得到应用。     

High sensitivity dual core photonic crystal fiber sensor for simultaneous detection of two samples

The optical control ability of photonic crystal fiber (PCF) is a distinctive property suitable for improving sensing and plasma performance. This article proposes a dual-core D-channel PCF sensor that can detect two samples simultaneously, which effectively solves the problems of coating difficulty and low wavelength sensitivity. The PCF has four layers of air holes, which dramatically reduces the optical fiber loss and is more conducive to the application of sensors in actual production. In addition, by introducing dual cores on the upper and lower sides of the central air hole, reducing the spacing between the core and the gold nanolayer, a stronger evanescent field can be generated in the cladding air hole. The optical fiber sensor can detect the refractive index of two samples simultaneously with a maximum sensitivity of 21300 nm/RIU. To the best of our knowledge, the sensitivity achieved in this work is the highest sensitivity with the dual sample synchronous detection sensors. The detection range of the refraction index is 1.35-1.41, and the resolution of the sensor is 4.695×10^-6. Overall, the sensor will be suitable for medical detection, organic chemical sensing, analyte detection, and other fields.     

超低温度系数的光子晶体光纤Sagnac压力传感器

 提出了一种基于光子晶体光纤Sagnac干涉仪的横向压力传感器。使用的光子晶体光纤为低双折射光纤,首先预先在Saganc环中的光子晶体光纤上施加初始压力,使Sagnac干涉仪产生正弦干涉光谱,然后再将被测物体放在光子晶体光纤上,由于被测物体重力的作用,Saganc干涉仪输出的光谱产生移动,实现横向压力传感测量。传感器具有高灵敏度0.529 nm/(N·mm)及超低的温度系数-0.4 pm/℃,其环境温度的影响可以忽略。     

大模场掺镱双包层光子晶体光纤内包层新型结构研究

制备了掺镱多组分硅酸盐光子晶体光纤纤芯材料。其折射率为1.586,有效荧光半高宽为85.3 nm,荧光寿命为1.30 ms。分析了光纤结构参数对光子晶体光纤的归一化频率（单模截止条件）、数值孔径、有效模面积、非线性效应和限制损耗等参数的影响。设计了以该材料为纤芯,内包层为八边形、五层空气孔的新型结构光子晶体光纤。用有限元法对该光子晶体光纤性能进行了数值模拟。结果表明,该光纤有效模场面积为1 150 μm²;当空气孔直径为21.6 μm、孔间距为60 μm时,内包层数值孔径达到0.45。