折射率引导型光子晶体光纤的研究进展和应用

折射率引导型光子晶体光纤具有许多传统光纤不具有的特点,为光通信及光传感系统的设计提供了一种新的选择。介绍了这类光纤的导光原理、制作方法和最新的研究进展与相关应用。

基于SPR效应的双凹槽单通道光子晶体光纤高折射率传感器

传感器种类繁多,光纤传感器以其小型化、性能优良等特点从众多传感器中脱颖而出。基于此,本文以表面等离子体共振理论为支撑点,使用有限元方法进行计算,设计并研究一种D型双凹槽单通道光子晶体光纤高折射率传感器。研究结果表明,在最优结构参数下该传感器传感效果良好,在1.32~1.41的宽检测范围内,最大灵敏度达到16200 nm/RIU,最大品质因数可达255.92 RIU-1。由此可知,本文所设计的传感器符合现代化发展需求,有望在医疗检测、生物传感等多方面实现应用价值。

超宽折射率检测范围光子晶体光纤传感器

表面等离子体共振(SPR)效应的光子晶体光纤(PCF)因其体积小、灵敏度高等明显优势而受到了广泛研究。然而,大多数现有传感器的折射率检测范围较窄,限制了其在工业领域的应用。为了解决这个问题,采用金作为等离子体材料,通过调整光子晶体光纤表面涂覆金膜的厚度和涂覆金膜弧形开口的尺寸,设计了一种具有超宽折射率检测范围的D型光子晶体光纤传感器,该传感器能够实现对折射率在1.30~1.42范围内的超宽传感检测。研究结果表明,通过适当调整金膜的厚度和弧形开口的尺寸,可以获得超宽折射率检测范围的光子晶体光纤传感器,为工业领域的应用提供了更广阔的空间。

D型高双折射光子晶体光纤的折射率传感特性研究

基于表面等离子体共振(SPR)原理,分析了D型高双折射光子晶体光纤(HB-PCF)的折射率传感特性。模拟研究了抛磨角度对双折射、折射率传感灵敏度的影响。仿真结果表明:当抛磨面离纤芯的高度小于1.5倍占空比时,抛磨面离纤芯越近,双折射越小;随着抛磨角度的增加,双折射先增加后减小,折射率传感灵敏度随之减小;当抛磨角度为0°且折射率范围在1.330~1.390时,D型HB-PCF的平均折射率灵敏度高达2833.33 nm/RIU。此外,制备了一种D型高双折射率光子晶体光纤SPR传感器,实验测得其折射率灵敏度约为1711.83 nm/RIU。D型HB-PCF SPR传感器可应用于生物、化学和环境监测等领域。

液芯高双折射率光子晶体光纤的特性研究

设计了一种纤芯区域由中心椭圆缺陷孔和其横排的上下两侧椭圆孔组成的高双折射率光子晶体光纤，并在其纤芯中心椭圆缺陷孔中填充高折射率液体物质二硫化碳．利用有限元法分析了该光子晶体光纤的双折射率、功率限制因子、模场分布及色散系数特性．研究结果表明：液芯光纤具有较高的纤芯功率限制因子，在波长0．6～1．6μm范围内实现了宽带大负色散系数，在波长1．55μm处光纤双折射率达到了6．8×10^2，即该结构液芯光子晶体光纤同时实现了宽带大负色散和高双折射率特性．通过结构参量容差性分析得到该光纤具有较好的偏振稳定性．

五角芯型保偏光子晶体光纤(Q-PM-PCF)的双折射

提出了一种内层空气孔环含有五个空气孔的新型高双折射光子晶体光纤结构;采用全矢量有限元法进行分析,研究了该光子晶体光纤两正交偏振模的有效折射率和双折射,分别给出了该五角芯型保偏光子晶体光纤双折射随输入光波长和大空气孔半径的变化曲线。分析结果表明:该五角芯型保偏光子晶体光纤的双折射很易达到10-3量级甚至更高,比传统保偏光纤的双折射至少高出一个数量级,合理设计光纤结构参数,该保偏光纤的双折射在1550 nm处可以达到6.5×10-3以上,甚至更高,适合应用于偏振特性及稳定性要求都较高的实际光纤传感系统,例如光纤陀螺。

外涂层对SPR型光子晶体光纤折射率传感的影响研究

为了探究不同外涂层对传感性能的影响,提出一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子晶体光纤(PCF)折射率传感结构,在光纤外表面镀有金属膜层。通过有限元方法比较了涂层材料分别为金、银、石墨烯和银+氧化锌时对传感性能的影响。数值研究表明:当结构参数相同时,在1.33~1.38折射率区间,涂层材料为石墨烯的传感结构的灵敏度较高,达7000 nm/RIU,涂层材料为金时灵敏度为5000 nm/RIU,涂层材料为银和银+氧化锌时灵敏度都为4000 nm/RIU;在灵敏度拟合线性度方面,各涂层都具有较高线性度,其中银涂层的线性度最高,为0.99112。

基于双芯光子晶体光纤的中红外表面等离子体共振低折射率传感器

为了在中红外区域实现气凝胶、七氟醚(麻醉剂重要成分)等物质的折射率检测,拓展折射率检测范围,提出了一种基于双芯光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器.光子晶体光纤由两种大小不同的空气孔围绕中心气孔构成,通过对光纤抛磨,最外侧大空气孔直接与待测物质接触,实现基于金属外涂覆的折射率实时测量.采用全矢量有限元法对该传感器的理论模型进行分析,结果表明,在1.12~1.37折射率范围内,传感器的共振波长位于中红外区域2505~3181nm,最高灵敏度为12000nm/RIU,分辨率为8.33×10^-6.该传感器利用中红外波段实现了低折射率检测,并且获得了超宽的检测范围和较高的灵敏度,在化工检测、生物医学传感以及水环境监测等领域具有广泛的应用前景.

利用有效折射率法对光子晶体光纤非线性系数的研究

利用有效折射率法推导和计算了全内反射型光子晶体光纤非线性系数与其结构参数——包层空气孔间距、空气孔半径、入射光波长的关系。得出了全内反射型光子晶体光纤非线性系数与结构参数、入射光波长的关系曲线,并讨论了其对光子晶体光纤非线性系数的影响.研究结果为光子晶体光纤在非线性研究与应用方面提供了理论依据.

空芯带隙型光子晶体光纤残余双折射特性研究

建立了空芯带隙型光子晶体光纤残余双折射理论分析模型,采用全矢量有限元法研究了光纤残余双折射产生的原因,最后搭建实验平台对空芯带隙型光子晶体光纤的残余双折射进行测试,并对光纤双折射的波长依赖性和温度稳定性进行了探究。仿真与实验结果表明,纤芯残余形变是导致残余双折射的重要因素,残余双折射随纤芯椭圆率的增大而增大,同时残余双折射的波长依赖性显著,温度依赖系数为0.3×10^(-9)/℃。

折射率引导型微结构光纤的奇异非线性效应和应用

折射率引导型微结构光纤不但有很多新颖的色散特性,而且还有很高的等效非线性系数,这两者相结合赋予RG-MOF很多独特的基于非线性特性的应用。介绍这种光纤中所产生的强非线性效应,如超连续谱生成、三次谐波生成和光学孤子生成等,然后参照最新的研究报道介绍其最新应用,如MOF波长转换器、高速信号分离器、基于SC分离的多信道脉冲源。

高折射率纤芯光子晶体光纤的特性研究

在二氧化硅中掺入适量GeO2可增大折射率,用其作为光子晶体光纤的纤芯时易于将光场捕获在纤芯中,形成稳定的传输模式。本文通过有限差分法数值解亥姆霍兹方程,研究了空气孔呈三角形典型结构排列的光子晶体光纤的特性。当纤芯及空气孔的大小都相同时,纤芯掺杂比例越高,光子晶体光纤的有效折射率就越高,色散则会向负向增长。此外,在这种高折射纤芯的光子晶体光纤中,当纤芯的大小及折射率均固定仅增大周围空气孔时,光子晶体光纤的色散增大,有效折射率趋于降低,模场有效面积也趋于减小。

基于高双折射侧边抛磨光子晶体光纤的表面等离激元共振双参量传感器

利用表面等离激元共振(SPR)技术设计了一款高双折射光子晶体光纤(PCF)传感器,可以实现宽范围的双参量高灵敏度传感.采用侧边抛磨的结构,内部空气孔呈三角晶格排列.金纳米层涂覆在抛磨面直接与待测物接触作为测量折射率RI的通道,更加方便检测工作的进行,靠近纤芯的椭圆孔内充满氯仿用来探测温度.两个独立的通道以及由非对称引入的双折射可以确保独自测量折射率和温度的变化,解决了交叉灵敏度问题.借助全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics,灵活使用散射边界条件可以很好的对光子晶体光纤传感器的光学特性进行数值分析研究.实验结果表明,文中提出的传感器可以测量折射率范围为1.32~1.39,温度范围是20~60℃,在500~1100 nm的波长范围内可以观察到明显的表面等离激元共振效应.为了进一步分析该结构的性能,对主要结构参数(抛光面金膜厚度m_(1)、Ta_(2)O_(5)厚度m_(2)、中心空气孔直径d1以及占空比)做了研究分析.仿真结果得到折射率传感下的平均波长灵敏度5700 nm/RIU,最大波长灵敏度13200 nm/RIU,最大振幅灵敏度818.44 RIU^(-1),传感器的折射率分辨率为1.75×10^(-5)RIU.温度传感范围为20~60℃,得到最大波长灵敏度为2.6 nm/℃,最大振幅灵敏度为0.363℃-1,以及传感器的温度分辨率为3.84×10^(-2)℃.该工作对于高灵敏度、实时、分布式、多参量测量SPR传感器的设计和实现具有指导意义.

基于双锥形光子晶体光纤的折射率传感器

设计了一种基于光子晶体光纤的双锥形马赫-曾德尔干涉仪,并对其折射率传感特性进行了研究。在FDTD Solutions光学仿真平台中建立了干涉仪结构模型,研究了该结构的透射光谱对环境折射率的响应。仿真结果表明,透射光谱随环境折射率的增加发生红移,灵敏度为95.906nm/RIU。利用熔接与拉锥工艺制备了干涉仪样品,搭建了实验系统,在不同浓度甘油溶液中对其透射谱进行了检测,实验结果表明,折射率在1.322 2~1.353 8范围内,透射谱偏移灵敏度为121.95nm/RIU。该传感器具有体积小、重量轻、易于制备、灵敏度高等优点,适用于生化和物理传感领域。

基于D型光子晶体光纤的表面等离子体共振传感器

本文提出一种基于D型高灵敏度光子晶体光纤的表面等离子体共振低折射率传感器。D型光子晶体光纤结构更容易镀膜,且便于填充分析物,利用开口镀金结构能够更多激发等离激元。采用有限元法对其结构进行数值模拟,选择分析物折射率范围为1.2~1.29,研究空气孔、开口直径、镀膜厚度等结构参数对传感器性能的影响,对其结构进行优化。当分析物折射率为1.29时,传感器最大灵敏度达到17000 nm/RIU,分辨率达到6.0×10^(-6) RIU。

高折射率材料填充的光子晶体光纤传输谱分析

利用有限差分法,研究了一种在包层小孔中填充可变折射率材料的新型光子晶体光纤的传输特性,并讨论了其在传感器设计方面的应用前景．分别模拟了包层孔为单圈、两圈、三圈结构下的光纤传输谱,在两圈孔的情况下,找到了合适的工作波长区间,并发现该工作区间的位置对于填充材料的折射率表现得很敏感,且呈近似线性关系．该折射率在1．48～1．8区间内每变化0．01,导波区间位置平均移动24 nm．结论表明,与传统的光波导折射率传感器相比,这种新型光子晶体光纤折射率传感器具有测量范围较大,灵敏度较高的优点．

基于石墨烯涂覆光子晶体光纤的折射率传感器

碳基材料聚合物拥有增强光纤传感器传感特性的潜力。将碳基材料与光子晶体光纤(PCF)相结合,先将剥除涂覆层的PCF两端与同样剥去涂覆层的单模光纤(SMF)熔接在一起,然后在结构表面涂覆石墨烯层,形成一个基于PCF的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。实验证明,在基于PCF的干涉仪传感器表面涂覆石墨烯材料能够提升传感器的折射率灵敏度。

基于氧化锡铟纳米薄膜的圆形晶格光子晶体光纤折射率传感器

为了实现近红外波段的高灵敏度传感,设计并研究了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(Surface Plasmon Resonance Photonic Crystal Fiber,SPR--PCF)折射率传感器。该光纤横截面的空气孔排列方式是圆形晶格,呈现出向日葵形状。光纤包层的外壁淀积了氧化锡铟(Indium Tin Oxide,ITO)纳米薄膜,通过圆形光子晶格的缺陷模与表面等离子体模的耦合感知周围环境折射率的变化。利用有限元数值仿真对这种传感器的光学性质和传感性能进行了详细研究。结果表明,该传感器同时具有较大的折射率感知范围和较高的灵敏度;折射率测量范围可达1.29~1.39,最大波长灵敏度为19659 nm/RIU,折射率测量精度为2.92×10^(-5) RIU。

光子晶体光纤模式折射率的分析

模式折射率是分析光子晶体光纤色散特性的一个基本参数,其快速而较准确的计算有助于对不同结构参数的分析比较,便于工程应用,但用时域有限差分法等数值方法分析传输特性通常需要较长的计算时间,为此,文中以六角形空气孔排列的光子晶体光纤为例,用时域有限差分法分析在不同的结构参数和传播常数的组合情况下的模式折射率,并利用分析所得数据,得到了模式折射率和结构参数、传播常数之间的拟合函数。利用所得拟合公式可得光子晶体光纤的模式折射率,并在通信和传感的应用场合下为PCF的设计提供一定的理论依据。

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。