基于结构性改变的光子晶体光纤光栅研究
第３７卷第７期
２０１０年７月 光电工程
Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．７
Ｊｕｌｙ，２０１０
文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１０）０７—００７０—０５
基于结构性改变的光子晶体光纤光栅研究
刘燕燕，许成谦，毕卫红，齐跃峰
（燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘要：利用多极法结合耦合模理论对一种基于结构性改变的光子晶体光纤光栅进行了研究，建立了其结构模型，
理论分析了此种成栅工艺原理。计算了七层三角形对称排布空气孔包层有效折射率随波长变化情况，比较了不同
光子晶体光纤结构成栅效果的差异。研究结果表明，光子晶体光纤包层中空气孔周期性塌缩可以形成光栅，空气
孔排布层数、空气孔占空比、空气孔塌缩层数和塌缩程度等参数对光子晶体光纤光栅的传输特性有重要影响，得
出了谐振波长和谐振带宽与上述参数之间的变化关系，并给出这种变化关系的解释。
关键词：光子晶体光纤；光子晶体光纤光栅；多极法；耦合模理论；反射谱
中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０１Ｘ．２０１０．０７．０１４
Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｈａｎｇｅ
ＬＩＵ Ｙａｎ—ｙａｎ，ＸＵ Ｃｈｅｎｇ－ｑｉａｎ，ＢＩ Ｗｅｉ－ｈｏｎｇ，ＱＩ Ｙｕｅ—ｆｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆｌｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｎｇｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ
ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ
ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｅｖｅｎ ｒｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ ｖａｒｙｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｗｅｒｅ
ｃｏｍｐｕｔｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｑ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｗｅｒｅ
ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｃｏｕｌｄ ｆｏｒｍ ｇｒａｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｒｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ
ｉｎ ｔｈｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ，ｔｈｅ ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ ｏｆｔｈｅ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ，ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆｆｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ａｉｒ－ｈｏｌｅｓ
ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｈａｄ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，
ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｖａｒｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｍｉｎｅｄ ａｎｄ
ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ；ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｍｌ ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ；ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ ｍｅｔｈｏｄ；ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅ ｔｈｅｏｒｙ；ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ
ｓｐｅｃｔｒｕｍ
０ 引 言
光纤光栅（Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ，ＦＧ）作为一种重要的无源器件，具有制作简单、体积小、插入损耗低及易于和 光纤系统集成等诸多优点，在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域均有着广阔的应用前景¨ Ｊ。
光子晶体光纤（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ，ＰＣＦ）是由次序排列的微结构空气孔沿纵向延伸构成的，其奇异的
光学特性，如无截止单模传输、高双折射、高非线性、可控的色散特性、极小的弯曲半径和超大模场面积
等 Ｊ，这些传统光纤无法比拟的特性激发了研究者在ＰＣＦ上制作光子晶体光纤光栅（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ
Ｇｒａｔｉｎｇ，ＰＣＦＧ）的兴趣。但是ＰＣＦ结构复杂性和空气孔对光的散射作用会使目前广泛采用的紫外曝光等技
收稿日期： 基金项目：
作者简介： ２０１０—０３—０９；收到修改稿日期：２０１０—０４—１１ 国家重点基础研究发展计划（“９７３”计划）“新型光子晶体光纤传感器的基础研究”（２０１０ＣＢ３２７８０１）， 国家自然科学基金项目“光子晶体光纤熔接过程中关键技术的研究”（６０８５０００１）资助项目 刘燕燕（１９７２一），女（汉族），辽宁海城人。副教授，博士，研究方向：光纤通信。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｕｙａｎｙａｎ＠ｙｓｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
第３７卷第７期 刘燕燕等：基于结构性改变的光子晶体光纤光栅研究 ７ｌ
术在ＰＣＦ中写入光栅变得非常困难，更为重要的是紫外曝光法制作的ＰＣＦＧ稳定性较差，即使在室温条件 下也会随着时间的推移出现光栅衰退现象。近年来研究者正在积极探索利用电弧技术、ＣＯ２激光加热的热
激成栅法或其他机械压力法使ＰＣＦ产生形变来制作光栅 Ｊ。这种基于永久性结构改变的ＰＣＦＧ，无需纤芯
掺杂或载氢处理，具有很好的热稳定性和长期稳定性，在光纤通信和传感等领域均有很大的潜在应用价值。
１ 理论基础
目前国内外所有对于在非光敏纤芯光纤上基于结构性改变的成栅技术研究，基本都停留在对实验方法
和实验结果的描述上，而对其成栅机理很少涉及，对于所成光栅性能与结构参数之间关系没有建立明确的
数学定义。本文首次提出利用多极法结合耦合模理论对基于结构性改变的ＰＣＦＧ成栅原理进行分析，建立
基于结构性改变的ＰＣＦＧ仿真模型，研究了其传输特性，得出谐振波长和带宽与结构改变参数之间的关系。
１．１多极法 多极法理论适合研究圆柱形空气孔构成的ＰＣＦ［７－８］，计算其模
式传播常数及有效折射率，还可以利用有效折射率的虚部和实部分
别计算出有限包层空气孔情况下的损耗和色散。图ｌ是ＰＣＦ截面，
实线大圆是光纤的边界，小圆为包层内排布的空气孔，虚线代表场
分布，Ｄ是光纤的中心，Ｑ和 分别是两个空气孔的中心。
利用多极法分析ＰＣＦ过程如下：以第，个空气孔为例，在空气
孔的内部，其纵向电场 可以在圆柱坐标系下展开成Ｂｅｓｓｅｌ函数形 式【９ｊ．
Ｅ：＝∑：一ａ＇ｍＪ （ ）ｅｘｐ（ｊ 仍ｚ）ｅｘｐ（ｊ ） （１） 图１ 多极法分析ＰＣＦ截面示意图
Ｆｉｇ １ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ＰＣＦ’Ｓ
在第，个空气孔邻近的介质中，其纵向电场 可以展开成 。 ｉｐ。 。 。 “ｏｄ ｙ ｉ
Ｅ：＝∑：一［６ Ｊ （ ｅ ）＋Ｃ Ｉ ’（ ）ｅＸｐ（ｊ 仍ｚ）ｅｘｐ（ｊ ）］ （２）
其中： 、６ 和ｃ 为展开式系数， ＝（ｋｏ￣ｎ 一 ） ， ｅ＝（ ２ 一 ） ，２， 。＝１为空气孔的折射率，
是石英的折射率，ｋ。＝２尢／ 为自由空间波数。
定义向量 和 表示系数矩阵Ａ 和 。同样，也可以把包层上的场分布展开，其系数矩阵用向量
和 表示。在空气孔和基质边界上，有 ， 代表空气孔边界面的反射矩阵，把所有空气孔的边
界条件结合起来，组成一个全局矩阵 ＝Ｊ ；包层的边界条件Ａ”＝ ”。通过Ｗｉｊｎｇａａｒｄ推导的方法将场展
开，将各点场方程系数联系起来可以得到 Ｊ：
Ａ ＝∑ Ｈ Ｂ ＋Ｊｒ１加Ａ （３）
式中：矩阵 和，１加为系数变换矩阵。将边界条件运用到所有的空气孔，同时扩展矩阵可以得到
Ａ＝ｌｉｂ＋厂即 。，再联立方程（１）～（３），得到 『Ｉ—Ｒ（Ｈ＋Ｊｒ、舢 。，１ ）］ ＝０ ｆ４）
式中： 是单位矩阵。式（４）如果存在非零解，必须使得ｄｅｔ［１一Ｒ（Ｈ＋厂 ’ 厂∞）１二０。在空气孔的界面上
利用电磁场的边界条件，即可以得到 、６ 、ｃ 和传播常数 ，进而求得有效折射率 。 ＝ｐ／ｋ。。
１．２耦合模理论
耦合模理论是分析光纤光栅的基础，光纤光栅中前、后向光场的耦合作用可以用耦合模方程来描述。
根据耦合模理论，在折射率引导型ＰＣＦＧ中，基模的谐振波长表达式为
＝２ｎ 。 （５） 式中： 。 为基模有效折射率，ＰＦＢＧ为Ｂｒａｇｇ光纤光栅的周期。
当基模与反向传输的第 阶包层模满足 ＋ 。 ＝２兀／尸Ｆ 。，式中 。 。为纤芯基模的传播常数，
为第ｉ阶包层模的传播常数，则反向传输的第ｉ阶包层模被激发，谐振波长表达式为 ”Ｊ
ｃｌ ｄ ＝（ 。 ＋，？ ｌ ｄ ） ＢＧ （６）
７２ 光电工程 ２０１０年７月
式中ｎｃｌ ｄ，ｉ为第ｆ阶包层模的有效折射率。
在前面的研究中，我们已经利用多极法求出不同离散波长下的／＇／ｃｌａｄ值，得到？＇／ｃｌ ｄ与波长的关系／＇／ｃｌａｄ（￣．），
代入式（６），即可得到ＰＣＦＧ的谐振波长，然后将其代入耦合模方程求解，即可得到ＰＣＦＧ反射谱： 厂＝ ——＿＝ ：ｌ ｐｌｚ：— （７） 。 。 ｃｏｓｈ （√ 一ｄ－ Ｌ）一６－ ／ｋ
需要注意的是，与常规ＦＧ不同，在求ＰＣＦＧ反射谱时，直流自耦合系数 ，交流耦合系数ｋ，包层模
有效折射率 。１ ｄ都是波长的函数。
２数值仿真结果及分析
本文研究中，首先建立了结构性改变的ＰＣＦＧ模型，利用多极法分析包层空气孔塌缩对有效折射率的
影响，最后利用耦合模理论得到ＰＣＦＧ传输谱特性。分析了具有七层三角形空气孔对称排布的折射率引导
型ＰＣＦＧ，其截面和纵向结构模型图２，空气孔排布层数由内至外依次为１，２，…，７，空气孔直径ｄ＝２．１６
ｍ，空气孔间距Ａ＝７．２ ｇｍ，光纤外直径Ｄ＝１２５ ｌａｍ，光栅长度Ｌ＝２０ １ＴＩ１ＴＩ，光纤芯径ｄｏ＝２／１一ｄ＝１２．２４ ｍ，
光栅周期为Ｐ＝０．５３５ ｌａｍ，光纤材料为ＳｉＯ２，折射率ｎ ＝１．４４６ ６。外径塌陷最大深度ｍ＝５ ｍ，包层空气
孔根据位置不同塌缩程度不同，由外至内塌缩深度在１．６～０．４ ｌａｍ之间，塌缩周期即为光栅周期。
－６Ｏ ・４Ｏ －２０ ｏ ２Ｏ ４Ｏ ６０ ．６ ６５
－６０ ４０。２０ ０ ２０ ４０ ６０ Ｘ／／￣ｍ ６５ ｇｍ （ａ１ Ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ，ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ＰＣＦＧ （ｂ）Ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ＰＣＦＧ 图２ ＰＣＦＧ截面及纵向结构模型
【国家自然科学基金】_光子晶体光纤光栅_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
序号科研热词推荐指数序号科研热词1长周期光栅21光子晶体光纤2光子晶体光纤22长周期光栅3高重复频率13光纤光学4高平均功率14耦合模理论5飞秒激光微纳加上15级联长周期光栅6飞秒激光16微结构光纤7调制17弱压力8表面等离子体共振18干涉仪9蜂窝光纤19干涉10空芯光子晶体光纤110布拉格光栅11生物活性膜111双谐振12生物传感器112光纤光栅传感器13激光技术113光纤光栅14微结构光纤114光纤传感器15微图案刻划115光子晶体光纤长周期光栅16带隙光纤116偏振相关损耗17布拉格光栅117修正的矢量等效折射率模型18大模场面积光纤118传感器19取样光纤光栅120反射谱121化学传感器122光纤放大器123光纤光栅124光纤光学125光子晶体光纤飞秒激光放大器126光子晶体光纤光栅127光子晶体128传输矩阵129传感器技术12008年2009年
光子晶体光纤非线性光学研究新进展_王清月
第33卷 第1期
2006年1月中 国 激 光CHINESEJOURNALOFLASERSVol.33,No.1
January,2006
文章编号:0258-7025(2006)01-0057-10
光子晶体光纤非线性光学研究新进展
王清月,胡明列,柴 路
(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)
摘要 光子晶体光纤(PCF),又称为多孔光纤(HF)或微结构光纤(MF),是一种单一介质,并由波长量级的空气孔
构成微结构包层的新型光纤。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性,从1996年世界上制造出
第一根光子晶体光纤以来,它便受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。介绍了光子晶体
光纤的制作工艺、工作原理、基本特性、目前的研究重点和进展情况,重点评述了光子晶体光纤非线性光学方面的
研究及其潜在的应用。
关键词 光子晶体光纤;无截止单模;色散;非线性;飞秒激光
中图分类号 O437 文献标识码 A
ProgressinNonlinearOpticswithPhotonicCrystalFibers
WANGQing-yue,HUMing-lie,CHAILu
(UltrafastLaserLaboratory,CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,
KeyLaboratoryofOpto-ElectronicsInformationandTechnicalScience(TianjinUniversity),
MinistryofEducation,Tianjin300072,China)
Abstract Photoniccrystalfibers(PCFs),alsocalledholeyfibers(HFs)ormicrostructurefibers(MFs),areanew
一种基于光子晶体光纤的波长测量装置的设计
一种基于光子晶体光纤的波长测量装置的设计
摘要 设计一种新型的波长测量装置,利用光子晶体光纤内部的气孔结构,在其内填充磁流体,通过控制液体周围的磁场迅速改变这种磁流变液体的折射率,测得中心波长存在时折射率的范围,从而间接计算出入射光波长。
关键词 pcf;波长;光纤光栅;磁流体
中图分类号o4 文献标识码a 文章编号
1674-6708(2010)26-0116-01
光子晶体光纤(photonic crystal fiber,pcf)是一种特殊的光纤,主要由在纤芯周围沿轴向规则排列微小气孔构成,通过调节内部气孔结构的分布和占空比控制其光学特性,具有无截止单模传输、大模场面积和高非线性等优点。
1 波长测量装置的现状
现在实验中测量光波长的仪器主要有波长计和光谱仪,波长计主要利用光的干涉原理测量窄谱光(谱宽小于5nm)的波长,因宽谱光空间相干性差,现有波长计无法精确测量宽谱光平均波长。宽谱光源平均波长的测量都是用光谱仪实现的,目前光谱仪测量宽谱光源平均波长精度最高达到0.01nm,但光谱仪昂贵,笨重,难以进行系统集成,因此,研制经济、便携波长测量仪器意义重大。
2 基于光子晶体光纤的波长测量装置原理
2.1 磁流体薄膜折射率可控性
磁流体是一种具有随外加磁场强度而有可控流变特性的新型纳米材料。当垂直于磁流体薄膜的外磁场增强时,磁流体弱絮凝结构增多,出现“相”分离,导致等效介电常数和薄膜折射率的变化。等效介电常数:
式中:εcol和εliq分别为磁柱和液相的介电常数,
f=(acol/a)(1-acol/a), acol为在mff表面一定面积a中磁柱所占的面积。由可求在不同的外加磁场h的作用下,磁流体折射率的变化。实验表明,当外场强达到一定“阈值hcn”后,磁流体折射率才开始上升;当h 增大到一定程度后,折射率基本“饱和”不再变化,如图所示。磁流体的折射率随外加磁场的变化也会受到磁流体的浓度、薄膜厚度、磁场方向和温度等的影响。 2.2 光波长测定原理
光子晶体毕业论文
引 言
光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得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，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了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，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。
第一章 光子晶体光纤概述
§1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展
上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。
1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。
光子晶体光纤特性及应用
光子晶体光纤特性及应用
【摘要】光子晶体光纤以其特殊的传输机理和优异的性能，其应用领域正不断扩大，本文介绍了光子晶体光纤的概念、原理和分类，说明两种光子晶体光纤的结构，并讨论了光子晶体光纤的特性及相应的应用。
【关键词】光子晶体光纤；微结构光纤；光子带隙
1 概述
光子晶体可以认为是一种由折射率周期性变化而产生光子能带和带隙的物质。频率处于禁带范围内的光子不能在这种物质中传播，如在光子晶体中引入缺陷以破坏其周期性结构时，光子带隙就会形成具有一定频带宽度的缺陷区，与其对于的特定频率的光波可以在其中传播。这就是光子晶体概念的来源。
光子晶体光纤又称为微结构光纤是一种二维光子晶体，通常的结构为光纤的横截面内存在着很多按一定规律周期性排列的空气孔，这些孔的尺寸和光波的波长相当。如在周期性的结构中引入线缺陷，如改变孔径的大小，或以玻璃代替空气孔，便形成了光子晶体光纤结构，光可以沿着缺陷在光纤中传输。缺陷构成光子晶体光纤的纤芯，缺陷外的周期性结构便是光子晶体光纤的包层，光在缺陷内传播。光子晶体光纤是具有空洞的微列阵结构的光纤，被称为多孔光纤或微结构光纤。
光子晶体光纤有很多奇特的性质。例如，可以在很宽的带宽范围内只支持一个模式传输；包层区气孔的排列方式能够极大地影响模式性质；排列不对称的气孔也可以产生很大的双折射效应。
2 光子晶体光纤的结构
根据传光机制，光子晶体光纤可以分为两大类，全反射型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤。
2.1全反射型光子晶体光纤的结构。全反射型光子晶体光纤和传统光纤的传光原理相似，利用光纤内部全反射（TIR）原理，使被传送的光能量在高折射率实体的“芯”中传播，周围规则排列的微结构做为低折射率的光学皮层，如图1和图2所示。
2.2光子带隙型光子晶体光纤结构。这种类型的光纤不是光的全反射原理，而是利用光子晶体的光子带隙效应（PBG），被传送的光被光子带隙限定在“芯”中，沿微结构方向传输。如图3和图4所示，光子带隙型光子晶体光纤的结构，中间空的部分是“芯”，周围规则排列的微结构区域是光纤的包层。
光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF）
.光纤的种类：光纤按光在物质中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤 多模光纤传输的距离比较近，光纤一般只有几公里。单模光纤只能传一种模式的光，其模间色散很小，适
用于远程通讯。
多孔光纤是一种全新的工艺技术。自从1996年第一根多孔光纤诞生以来，就受到了广泛关注，并于近
几年取得了许多极有价值的成果。多孔光纤包括两种材料:一种材料为透明的固体——通常为玻璃，另一种
材料为空气——沿着光纤长度的方向填充在孔中。多孔光纤的制作方法是:将玻璃管紧密捆扎成一束进行拉丝制成光纤，具有截面成蜂窝状，在石英玻璃中有许多空孔呈周期性存在的结构。
多孔光纤分为两类:光子晶体光纤和光子带隙光纤。
光子晶体（photonic crystal）的概念于1987年提出，1991年制造出世界上第一根光子晶体光纤。光子晶体
光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称为微结构光纤（micro-structured fiber）或中空光纤光子晶体（photonic crystal）是由一种单一介质构成，并由波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。光子晶体光纤呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性，它受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。
90年代后光子晶体光纤(PCF)被日益关注，它的分类，独特的性能，制备方法和潜在的应用先后被提出。 光子晶体光纤在外观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，实际上这些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(PCF)的纤芯是固体芯，芯外为包层，包层内含有一定数量的沿光纤长度方向延伸的空孔(见
图1)。包层为光子带隙材料，它的平均折射率低于纤芯。多孔包层的有效折射率随波长而发生变化，且与孔的尺寸和间隔有关。
光子晶体光纤和普通单模光纤相比有3个突出的优点：第一，光子晶体光纤可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；第二，光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；第三，光子晶
光子晶体在传感器中的应用
光子晶体在传感器中的应用
在科技的快速发展和创新的推动下，传感器被广泛运用于各个领域，包括气体、液体和固体的探测和测量。而随着材料科学和光学技术的进步，光子晶体逐渐成为传感器领域的一种新的材料。光子晶体的独特结构和光学性质使其具有很高的灵敏度和选择性，适用于温度、湿度、压力、化学物质等多种环境参数的检测和传感。本文将探讨光子晶体在传感器中的应用和前景。
一、 光子晶体的结构和特性
光子晶体是一种周期性的介质结构，由不同折射率的介质构成。这种介质层间的周期性结构可以选择性地反射特定波长的光线，形成所谓的布拉格反射。光子晶体的反射性质取决于其周期和介质的折射率差异，因此可以通过调整它们来控制反射光的波长。此外，光子晶体还具有色散效应，随着入射光的波长变化，反射光的波长也会发生变化。这些特性使光子晶体成为一种有利的光学材料，适用于制造微型波长选择器、传感器等。
二、 光子晶体具有很高的灵敏度、选择性和实时响应等特性，因此成功地应用于化学物质、生物体和环境参数的探测和传感，如温度、湿度、压力、溶解氧、酸碱度等。下文我们将以温度、湿度、压力三种环境参数的检测为例，探讨光子晶体在传感器中的应用和相关技术细节。
1. 光子晶体温度传感器
温度传感器是一种用于检测温度变化的设备。光子晶体温度传感器采用光纤布拉格光栅的技术，将光纤绕在光子晶体薄膜上进行制备，通过光的波长来识别温度的变化。当温度升高时，光子晶体膨胀导致光学路径长度的变化，导致反射波长发生变化，从而实现温度的检测。光子晶体温度传感器具有非常高的温度稳定性、可见光域的性能和快速响应速度，有望在实际应用中发挥更大的作用。
2. 光子晶体湿度传感器
湿度传感器是一种用于测量空气中水蒸气含量的设备。光子晶体湿度传感器采用介质超构光栅（Distributed Bragg Reflector，DBR）的技术，既灵敏又准确地测量大气中的水分子。这种传感器可以通过测量反射光（布拉格反射）的强度和谐振波长来实现湿度的检测。与其他湿度检测方法相比，光子晶体湿度传感器在相对湿度高于50%时具有更高的灵敏度和响应速度，有着广阔的应用前景。
光子晶体与光波导
光子晶体与光波导
光子晶体与光波导是光子学领域中两个关键概念，它们在光学器件的设计与应用中具有重要作用。光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它通过光子之间的布拉格散射来调控光的传播。而光波导则是一种用于在光学器件中引导光传播的结构。
一、光子晶体
光子晶体是一种周期性变化折射率的材料，其结构类似于晶体学中的晶格。它通过周期性的折射率分布，在特定的频率范围内形成禁带（光子禁带），使禁带内的光无法传播。而禁带之外的光则可以在光子晶体中传播。光子晶体可以根据其周期性分布的不同，分为一维、二维和三维光子晶体。
1. 一维光子晶体
一维光子晶体是最简单的光子晶体结构。它具有周期性的折射率变化，常见的例子是光纤光栅。一维光子晶体通过周期性的折射率变化，可以在特定的频率范围内抑制光的传播，形成光子禁带。这使得一维光子晶体在光滤波、光调制和光传感等领域中得到广泛应用。
2. 二维光子晶体
二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球形结构组成的。它的周期性分布使得特定频率的光无法传播，形成二维光子禁带。二维光子晶体可以通过调控结构尺寸和材料折射率来改变光子禁带的频率范围。二维光子晶体在激光器、光波导和光传感器等领域中有着重要的应用。 3. 三维光子晶体
三维光子晶体是一种具有立体结构的光子晶体，可以在三个空间方向上调控光的传播。它通过周期性的结构分布，形成三维光子禁带，具有非常广阔的应用前景。三维光子晶体在光学传感、激光器、全息成像等领域中发挥着重要的作用。
二、光波导
光波导是一种用于引导光传播的结构。它可以将光能量从一个地方传输到另一个地方，实现光的灵活控制和调制。常见的光波导结构包括平板波导、光纤波导和光子晶体波导。
1. 平板波导
平板波导是一种将光能限制在一个平面内传播的波导结构。它通常由两个具有不同折射率的材料层组成，利用折射率的差异来引导光传播。平板波导广泛应用于光通信和光集成电路等领域。
2. 光纤波导
高效率微结构光纤光栅写入技术研究
第４０卷第９期
２０１３年９月 光电工程
Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＶＯ１．４０．ＮＯ．９
Ｓｅｐｔ，２０１３
文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１３）０９—００４６—０６
Ｅｊ 同 效率微结构光纤光栅写入技术研究
任晓敏 ，李 晓 ，，王志斌 ｂ，王冠军 ，ｂ
（中北大学ａ．山西省光电信息与仪器工程技术研究中心；
ｂ．仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５ １）
摘要：针对传统周期性气孔结构的微结构光纤光栅（Ｍ０ＦＧ）写入过程中的高写入散射问题，本文提出一种新型的
大圆孔式微结构光纤光栅。其特点是用一填充适当折射率流体的大圆孔结构来代替部分周期性小气孔。当光束从
外侧写入光栅时，一方面会避免传统周期性气孔结构带来的高写入散射问题；另一方面大圆孔也将起到一微透镜
作用，有助于进一步提高光束写入纤芯区域的能量比例。仿真分析结果表明：新型大圆孔式微结构光纤光栅的写
入效率可达到传统周期性光子晶体光纤光栅、单模光纤光栅写入效率的２８８％和２０６％左右。同时本文也提出利用 对称角度写入方法来保证光栅写入场的对称性，从而改善单侧写入造成的写入场分布不均匀问题和写入致双折射
问题。 关键词：微结构光纤光栅；大圆孔式；光栅写入效率；对称结构；时域有限差分法
中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：ｌ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０１Ｘ ２０１３．０９．００８
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｉｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ
ｌＩＥＮ Ｘｉａｏｍｉｎ ，ＬＩ Ｘｉａｏ 一，ＷＡＮＧ Ｚｈｉｂｉｎ 一，ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｊｕｎ
ｆ ａ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆＳｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ—Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；
光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究
第３４卷第４期 ２０１０年７月 燕山大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＶｂＩ＿３４ ＮＯ．４ Ｊｕｌｙ ２０１０
文章编号：１ ００７－７９１ Ｘ（２０１ ０）０４－０３４０－０４
光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究
毕卫红 ，王洋，齐跃峰
（燕山大学信息科学与Ｚ－程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘 要：应用多极法理论和传输矩阵法，对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅 特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱 之间的差异，重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化（间隙孔半径、层数）与光子晶体光纤光栅的谐振峰变 化规律。当光子晶体光纤的问隙孔半径增大时，光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移；当光子晶体光纤的间 隙孔径不变而层数增加时，光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。
关键词：光纤光学；光子晶体光纤光栅；多极法；耦合模理论；谐振波长；
中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标识码：Ａ
０引言 ＤＯＩ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００７—７９１Ｘ．２０１０．０４．０１２
‘‘ Ｊ 进行分析和计算，使用ＭＡＴＬＡＢ工具进行仿真，
得出ＰＣＦＧ的反射谱特性变化规律。
从１ ９７８年光子晶体光纤（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂ— ｅｒ，ＰＣＦ）问世以来，人们一直尝试在光子晶体光
纤中写入光纤光栅，对光子晶体光纤光栅（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ，ＰＣＦＧ）的写入方法及特性
分析成为新的研究热点。
总结学者们的研究发现，与常规光纤光栅相
比，ＰＣＦＧ具有更加优良的特性：１）二维或多维空
间结构，提供了更大的设计自由度（无需改变材料
折射率，仅仅改变空气孔结构即可改变光纤中的模
场分布，还可做成单芯或多芯结构）；２）波长调谐
范围宽（可达１００ ｎｍ以上）；３）低阶包层模不受