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光子晶体光纤损耗特性的数值研究

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光子晶体光纤损耗特性的数值研究

杜海龙;丁春峰;郑义

【摘 要】为了理论分析PCF(光子晶体光纤)的损耗特性,采用多极法研究了包层空气孔直径、孔间距和空气孔层数等参数对PCF 1.31和1.55μm波长处损耗特性的影响.结果表明,选择高空气填充率的结构和增加包层空气孔层数都可以降低PCF损耗；通过增大最外层空气孔直径可在保持色散特性不变的情况下显著降低PCF的损耗.该结论可以为设计低损耗特性的PCF提供理论依据.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2013(000)003

【总页数】3页(P39-40,48)

【关键词】光子晶体光纤;损耗;多极法

【作 者】杜海龙;丁春峰;郑义

【作者单位】郑州大学西亚斯国际学院,河南郑州 451150;郑州大学河南省激光与光电重点实验室,河南郑州 450052;北京交通大学理学院,北京 100044

【正文语种】中 文

【中图分类】TN818

0 引 言

PCF (光子晶体光纤)由于具有普通单模光纤所无法比拟的特性[1-4]，例如很强的非线性效应、高负补偿和平坦等灵活控制的色散特性、无穷单模特性等，在新一代光纤通信系统、新型光纤器件中表现出广阔的应用前景。

低损耗特性一直是光通信系统传输介质追求的目标，近年来如何有效降低PCF的损耗成为光纤通信领域的研究热点。随着PCF拉制技术的不断发展和日趋成熟，研究人员设计了具有不同应用价值和对称结构的PCF；正方晶格PCF因为对称结构简单、易拉制等特点而具有较强的实用价值，Bouk等人在2004年提出了此结构的PCF[5]，并对其色散特性进行了深入的研究。本文基于研究对称结构PCF的多极法，对正方晶格PCF的损耗特性进行研究，探索获得低损耗PCF的一般方法。

1 数值分析方法

2002年，T.P.White和B.T.Kuhlmey等人将多极理论应用到计算包层具有对称特性和圆柱形空气孔的PCF，将包层空气孔周围的场分量用贝塞尔函数展开，利用边界条件求得传输特性[6-7]。多极法精确地考虑了包层空气孔为圆形时模式的对称性，从而大大地提高了计算精度和效率。通过计算，可理论模拟出PCF内的传播常数的实部和虚部，从而可以计算出PCF的模场分布、色散系数和损耗系数等。

在PCF包层第L个空气孔内，纵电场可以展开成

介质内的纵电场可以展开成

式中，为波矢，rl和Φl是孔附近基质以空气孔中心为圆心的极坐标值，Jm(z)和Hm(z)为第一类和第三类贝塞尔函数，βz为纵向传播常数。

在空气孔的边界上运用电磁场的边界调节，可以得到关于的表达式，进而求出传播常数。从传播常数的实部可以算出PCF的色散特性，虚部可以计算出损耗特性，计算公式如下

式中，λ的单位是μm。

2 PCF结构参数对损耗的影响

2.1 包层空气孔层数对损耗的影响

图1 空气孔层数Nr不同时PCF损耗规律

取PCF包层结构参数如下：空气孔直径d=1.1 μm，孔间距Λ=2.1 μm，计算包层空气孔层数Nr分别为2、3、4时PCF的损耗的变化规律，模拟结果如图1所示。在1.3至1.6 μm波长处，随着波长的增大，PCF的损耗成指数增大；随着Nr的增加，PCF的损耗显著减小。表1所示为Nr不同时，PCF在1.31和1.55

μm波长处的损耗值，Nr每增加一层，PCF的损耗值下降约两个数量级，1.31

μm处损耗值大约下降为原来的1/125，1.55 μm处大约下降为原来的1/75，经计算，当Nr=6时PCF的损耗值为0.006 dB/km，明显低于传统单模光纤的损耗特性，因此增加Nr能有效地降低PCF的损耗。

表1 Nr不同的PCF在1.31和1.55 μm处的损耗NrL/dB/m1.31 μm1.55

μm234.165 1111.322 030.269 01.499 740.002 20.021 0

2.2 包层空气孔直径、孔间距对损耗的影响

图2 Λ=2.1 μm时,不同空气孔直径d对损耗特性的影响

图3 d=1.1 μm时，不同孔间距对损耗特性的影响

图2所示为包层空气孔间距Λ=2.1μm时，空气孔直径d变化对PCF损耗特性的影响。图3所示为d=1.1 μm时，Λ变化对PCF损耗特性的影响。对应的各PCF在1.31和1.55 μm处损耗值分别如表2和表3所示。

表2 Λ=2.1 μm时, 不同空气孔直径的PCF在1.31和1.55 μm处的损耗d/μmL/dB/m1.31 μm1.55 μm0.6914.840 22 379.800 00.852.210 7196.790

51.01.745 48.532 11.20.036 30.236 0

表3 d=1.1 μm时, 不同空气孔间距的PCF在1.31和1.55 μm处的损耗Λ/μmL/dB/m1.31 μm1.55 μm2.30.689 13.049 52.10.269 01.499 71.90.084

40.647 11.70.020 30.245 5

从图2和图3可以看出，随着包层空气孔直径的增大或包层空气孔间距的减小，PCF的损耗都是明显减小的，且增大包层空气直径的方式更为明显。随着包层空气填充率的增大，PCF的纤芯和包层的折射率差加大，这就更容易将激光光束束缚在高折射率的纤芯区域。我们也计算了各PCF在1.31和1.55 μm波长处的损耗值，表2和表3表明，尽管增大包层空气孔直径和减小孔间距都可以明显降低PCF的损耗值，但相对结构参数包层空气孔层数，空气孔直径和孔间距对损耗的影响要小的多。

2.3 最外层空气孔直径对损耗的影响

取PCF内3层空气孔直径d=1.1 μm，孔间距Λ=2.1 μm，图4和图5所示分别为最外层直径分别增大到1.3和1.6 μm时对PCF色散和损耗特性影响规律的曲线。如图所示，当最外层空气孔直径增大时，PCF的色散几乎不变，3个不同结构参数PCF的色散曲线近似重合为一条曲线，说明最外层空气孔的变化对PCF色散特性影响很小；同时，PCF的损耗特性近似指数减小，当最外层空气孔直径为1.6 μm时，PCF在1.31和1.55 μm处的损耗值为0.014和0.21 dB/km，已经接近传统单模光纤的损耗值。因此，要获得低损耗PCF，可以根据要求的有效模式面积、非线性系数和色散等条件先对PCF的包层空气孔间距、空气孔直径和包层空气孔层数进行设置，然后再通过增大最外层空气孔直径的方法来获得更低的损耗特性，同时保持PCF的色散特性不变。

图4 最外层空气孔直径不同对色散的影响

图5 最外层空气孔直径不同对损耗的影响

3 结束语

应用多极法对正方晶格对称结构PCF的损耗特性进行了数值分析，研究了包层各结构参数在1.31和1.55 μm波长处对损耗特性的影响，其中包层空气孔层数对PCF的损耗影响最大，包层空气孔直径次之，空气孔间距最小。设计具有一定色散特性的低损耗PCF时，可先设置空气孔直径、孔间距、空气孔层数等参数确定色散特性，然后可以通过增大最外层空气孔的方法，在保持色散特性不变的前提下进一步降低PCF的损耗。

参考文献：

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photonic crystal fibers [J]. Opt lett , 1997, 22 (13) : 961-963.

[2] Knight J C, Arriaga J, Birks T A, et al. Anomalous dispersion in photonic

crystal fiber [J]. IEEE Photon Technol Lett, 2000,12(7):807-809.

[3] 程同蕾. 混合型光子晶体光纤理论及超连续实验研究[D]. 天津：天津大学, 2010.

[4] 崔艳玲. 新型光子晶体光纤的色散特性和带隙特性研究[D]. 秦皇岛：燕山大学,

2009.

[5] Bouk A H, Cucinotta A, Poli F，et al. Dispersion properties of square-lattice photonic crystal fibers [J]. Opt Express, 2004, 12(5) : 941-946.

[6] White T P, Kuhlmey B T, MePhedran R C ,et al. Multipole method for

microstructured optical fibers. I. Formation [J]. Journal of the Optical

Society of America B, 2002,19(10): 2322-2330.

[7] Kuhlmey B T, White T P, Renversez G, et al. Multipole method for

microstructured optical fibers. II. Implementation and results[J]. Journal of

the Optical Society of America B, 2002, 19(10): 2331-2340.

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掺杂光子晶体光纤传感损耗的分析

掺杂光子晶体光纤传感损耗的分析

第２７卷第５－６期　２０１１年１２月　天津工大学学报　ＪｏＵＲＮＡＬ　ｏｉＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　０Ｆ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　Ｖ０Ｉ＿２７　Ｎｏ．５—６　Ｄｅｃ．２０１１　

文章编号：１６７３－０９５Ｘ（２０１１）０５—０６—００１９—０３　

掺杂光子晶体光纤传感损耗的分析　

章宦记，任广军　

（天津理工大学电子信息工程学院天津市薄膜电子与通信器件重点实验室，天津３００３８４）　

摘要：采用现有Ｃｏｍｓｏｌ　Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ软件，分析了掺杂光予晶体光纤的损耗特性与小孔孔径变化，层数结构以及所　掺物质改变时变化曲线，验证了现有通信窗口的可行性，为寻求新的通信窗１３＇提供了实验支持，为进一步研究掺杂　光子晶体光纤传输的特性提供了参考．　关键词：光子晶体光纤；损耗；传感；掺杂；全矢量有限元法　中图分类号：Ｎ３４　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３．０９５Ｘ．２０１１．０５－０６．００６　

Ｄｏｐｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｌｏｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

ＺＨＡＮ　Ｇ　Ｈｕａｎ－ｊｉ，ＲＥＮ　Ｇｕａｎｇ－ｊｕｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｒ　ｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｉｌｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｓｏｌ　Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ　ｕｓｉｎｇ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｄｏｐｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｌｏｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｐｅｄ　ｌａｙｅｒｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃｈａｎｇｅ　ｃｕｒｖｅ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｎｄｏｗ，ｔｈｅ　ｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｎｅｗ　ｃｏｒｒｔｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｉｎｄｏｗ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｏｐｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　Ｓ　ａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ；ｌｏｓｓ；ｓｅｎｓｉｎｇ；ｄｏｐｉｎｇ；ｆｕｌｌ—ｖｅｃｔｏｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　

光子晶体光纤的特性及应用

光子晶体光纤的特性及应用

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光子晶体光纤的特性及应用

作者：牛静霞 李静

来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第08期

摘要：光子晶体光纤由于独特的导光原理和灵活的结构设计，性能明显能优于传统光纤，在光通信和激光技术等领域具有非常广阔的应用空间。文章介绍了光子晶体光纤的导光原理，研究了其主要特性，并分析了其在波分复用器、光纤激光器、光纤放大器及光耦合器件等方面的应用。

关键词：光子晶体光纤 特性 光器件

0 引言

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)是光纤技术发展的主要方向，对于大容量光纤通信和高功率光纤激光器的研究开发具有重要意义。光子晶体光纤又称为多孔光纤(Holey

Fiber，HF)或微结构光纤(Micro-Structured Fiber，MSF)，它是在石英光纤的包层中沿轴向均匀地排列空气孔，并在纤芯端面存在一个破坏了周期性结构的缺陷所构成，从而使入射光能被控制在光纤纤芯中传输。光子晶体光纤由于包层中的二维光子晶体结构，可以作为更加优异的光传输介质，在新一代光纤通信系统和激光技术等重要领域具有极其广阔的应用范围。

1 光子晶体光纤的导光原理

光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)和折射率引导型光子晶体光纤(TIR-PCF)两类。

带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的。在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图1（a）。

折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图1（b）。

介质对层状光子晶体光纤传输特性的影响

介质对层状光子晶体光纤传输特性的影响

ＤＯＬ　１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．１８．０１４　分凌黯鼷状澎　晶体光纤传输特性的影响　王永柱中国劳动关系学院安全工程系１　０００４８　（　＋　）￡（，．）＝一４　（，）　（１）　利用一维周期分布光子晶体与ＬＰＣＦ结构　的相似性，把特征矩　一　￣－ｈ＇－算一维光子晶体的方法转移应用　－￣。＇Ｊ【Ｌ＿Ｐ　Ｃ　Ｆ上，　并　ｊＦｌｊ用　Ｖ是拉普拉斯算子，　＝（ＯＦＩ／Ｃ为波数　：√　足　ＭＡＴＬＡＢ　摊来计　光　Ｆ．径向传播的反　率与警射专’　从　内层介质折射率，。是真　中光速ｊ。同样，／Ｉ　｝　介质层，Ｅ　而得至４不同４＂－电常数的材料对层状光子晶体光纤传输规律的影　（ｒ）满足　响。■置　囊　光子晶体￣，ｚ－ｆ－；传输特　｝生；特征矩阵；介电常数　光子晶体光纤（ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ，ＰＣＦ）的概　念最早是由Ｐ．Ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ等人提出的，于１９９６年ＯＦＣ会议　上首次发表了他们的研究结果【】】。它独特的单模特性、损耗　特性以及色散关系等引起了科学家们的注意。ｌ　９９６年Ｊ．Ｃ．　Ｋｎｉｇｈｔ、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ等人　首次制造出了具有周期性结构包层的　ＰＣＦ，它与一般ＰＣＦ明显不同，它的横截面由折射率周期性变化　的多层环状介电材料构成，此种结构我们称之为层状光子晶体　光纤（ＬＰＣＦ）。　ＬＰＣＦ同其它光子晶体一样，存在周期性的带隙结构，且带隙　结构类似干一维光子晶体　把它应用于光纤通信系统，若光信　号频率落在晶体禁带范围，就可以有效地抑制光信号在径向的能　量损失，再加上ＬＰＣＦ在制作工艺上容易实现，因此它具有极大的　应用前景。　目前，有人把特征矩阵计算一维光子晶体的方法　Ｈ　转移　应用到ＬＰＣＦ上，通过数值计算光在ＬＰＣＦ径向传播的反射率　与透射率而得到不同结构不同材料的层状光子晶体光纤的传输　规律。计算表明通过改变介质层的厚度、层数以及空间周期结　构，可以增大禁带宽度”】【　。本文从介质材料的角度研究了不同　介电常数的材料对ＬＰＣＦ传输特性的影响规律，并得出结论。　１模型和计算原理　１．１　ＬＰＣＦ的特征矩阵　ＬＰＣＦ在轴线方向是无限长的柱体，在径向由两种不同相对　介电常量（￡　，￡　）和厚度（ａ，ｂ）的薄介质包层Ａ、Ｂ交替排列构　成，最内层介质为Ａ，最外层被空气包围。由于介质结构在ｚ轴方　向相同，径向具有对称　，光波电场矢量的大小与ｚ，０无关，只是　矢径ｒ的函数，记为Ｅ（ｒ）。在内层中Ｅ（ｒ）满足亥耳姆斯波动　方程　（　＋　）　（，．）＝０（２）　（Ｖ　＋　）Ｅ（ｒ）＝０（３）　应用电磁场在界而山的边界条件，星＿Ｊ电磁场在介质的　分界面应保持连续，方程（１）（２）（３）解的…‘般形式为　Ｅ（ｒ、＝Ｃｅ　＋Ｄｅ一　（４）　Ｅ（ｒ）对ｒ的　阶导数为　（　）＝ｉｋ（Ｃｅ　一Ｄｅ曲）（５）　ｒ＝Ｏ和ｒ＝ａ带入（４），（５）式，并写成矩阵形式，　可得方程　＝　ｃ　ｏｓ（ｋ　ａ　）～ｓｉｎ（ｋ．ａ）／Ｅ　ｓｉｎ（ｋ　ｃｏｓ（ｋａａ）七“）　Ｅ　ｌ（６）　Ｉ　（０）ｌ　日）　）　ＪＩ’（　）Ｉ　记＾　（日）＝（ｋｃ．。ｓ　ｉｎ‘　（ｋ　．ａ　）一ｓｃｉｎ。（　ｋ（　．ａ　）／）　）　（７）　Ｍ（ａ）为介质Ａ的特征矩阵。　利用完全相同的步骤，可得对应（ａ＜ｒ＜ａ＋ｂ）区域Ｂ介质　的特征矩阵　＝　一　㈩，　利用矩阵的传递性质，可知对应周期性介质，即一个周期（ａ＋　ｂ）的转移矩阵是对应两个子矩阵的乘积，即有　Ｍ（ｄ）＝Ｍ（ａ）Ｍ（ｂ）　对于Ｎ层周期性结构的情况，可逐层应用Ｍ（ａ），Ｍ（ｂ）的单介　质层特征矩阵方程。　ｌ　≯　●■一未　。’　对ｌ丁Ｎ｝　周期性结构的情况，可逐　应川Ｍ（ａ）．Ｍ（ｂ）　的单介质层特征矩阵方程．对　Ｎ层介质，其内层界面　的场矢量为　ｌ、ＥⅣ　外　界面的场矢量为ＥＮ、Ｅ。　则有　ＥＮｑ　Ⅳ　㈦　依次逐层类推，可得如图２的层状光子晶体光纤　Ｅ（Ｏ）　１一，　Ｅ（Ｈ　）　Ｅ（Ｈ）１＝（　］　（９）　其中　Ｈ＝［（Ｎ一１）（ａ＋ｂ）＋２ａ］／２，（Ｎ＝１、３、５……）。　式中Ｍ＝Ｍ（ａ）Ｍ（ｂ）Ｍ（ａ）……Ｍ（ｂ）Ｍ（ａ）就是层　状光子晶体光纤的特征矩阵。　１．２反射率与透射率的计算　假设入射波在ｒ＝０处入射光波振幅为１，反射波振幅为Ｅ，　而透射波在ｒ　Ｈ界面上的振幅为Ｆ。入射波、反射波、透射　波之间的关系可由下式给出　Ｆ　Ⅳ＝（　其中ｋ　＝ｇＯ／ｃ。利用式（１０）可以推得　ｒ＝ｔＩ边界卜　，Ｈ：＝　（１１）　【　一Ｃ）＋ｉｋ０（　十Ｄ）　住ｒ＝０处　Ｅ：一（ｋｏ－Ｂ＋Ｃ）＋ｉｋｏ（Ｄ－Ａ）（１２）　（ｋｏ　Ｂ—Ｃ）＋ｉｋｏ（　＋Ｄ）　透射率：Ｔ＝ＦＦ　（１３）　反射率：　Ｒ：ＥＥ　（ｔ４）　｜＝　・　‰舷　１　’　１　，　Ｉ　｝　．　．　』。。　．　．　．　．．　．　．．．．　．：．．　．　一　领率　”，　Ｌ，　ｎ　一　一　”‘　一　‘　～　’　ｆ　｜ｌｌ■ｌＩｌ＿＿　Ｉ　频率ｗ　。。　ｔ＆　ｌ　１　¨ｌ　频率ｗ　Ｉ　ｊ　９００４，　０　６　Ｎ２　ｓ　ｋ９００４，　：　３　，　Ｉ　９００４，　４　薄　●　Ｉ【　，Ｉ　Ｉｔ。Ｊ　ｕ＾　领率ｗ　祷４　６　１　９００４－￡ｈ　８￡　；　｝！　，　；　兰　兰ｉ。蔓２　嚣Ⅱ　：二　频率ｗ　２介电常数的影响　利用上面所述的研究ＬＰＣＦ的方法与ＭＡＴＬＡＢ程序，通过　设置不同的￡　，￡　做出图形，便可以清晰地看到￡　，￡　的大　小以及二者的比例关系对层状光子晶体光纤性质的影响。图１，　图２，图３，图４，就是将【￡　，￡　、】分别设置为【１．９００４，０．６｛１．　９００４】，［１．９００４，２　１．９００４］，【１．９００４，４　１．９００４】，【１．９００４，８　１．　９００４］时计算出的结果所得出的图形。其中介质层Ａ为ＭｇＦ　，Ｅ　＝１．９０４４，厚度ａ＝７４０ｎｍ；介质层Ｂ厚度ｂ＝１２６０ｎｍ。空间周期　ｄ－－ａ＋ｂ＝２０００　ｎ　ｍ，两介质层光学厚度相等。选取基频【Ｉ）．．＝２７１ＴＨ　ｚ，层数Ｎ一１０（周期数为５）。　从图象的变化规律可以看出：在不考虑其它因素的情况　，　当￡　＜Ｅ　时，发射率Ｒ远远小于ｌ（图２中Ｒ＜Ｏ．５），即不可　能产生能带隙。随着外层介质的介电常数的增加，第一条带隙逐　渐左移，有新的带隙出现，使得总的带隙宽度逐渐增加。为了能　尽可能地增加介电常数差值，考虑一种特殊的情况：把内层介质　设计为空气，即介电常数￡。－－１，介质层Ｂ设计为ＺｎＳ，￡　－－５．５２２５，　其他参数保持不变，结果也可以得到较宽的带隙，如图５。　因此，我们得出结论，越大的介电常数差值便产生越宽的带　隙，我们可以合理选择两种介质材料的介电常数差值，从而有效　的增大带隙宽度。以空气作为内层介质制作ＬＰＣＦ的理论一ｈ也是　可行性的，但是以空气作为内层介质制作ＬＰＣＦ的过程会比较困　难。　ｐｈｏｌ；ｏＮｃ钟ｙｓｔ甜ｃｌａｄｄｉｎｇ　０ＦＣ９６，ｐａ　ｒ　ＰＤＳ－－　［２】Ｋｎｉｇｈ￣．氇ｃ，Ｂｉｒｋｓ　＾＇　ｓｓｅＩｉ　Ｐ　Ｓｔ　Ｊ，　ｅｌ；ａＩ．Ａｌｌ—ｓｉｌｉｃａ，ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ　ｏｐ　ｔｊ　ｆｉｂｅ１＂ｗｉｔｈ￣ｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｃｌａｄｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐ　ｔ．　Ｌｅｌ；ｌ；．，｛９９６，２１（１　９）：ｔ５４７—１５４９　［５】王辉，李永平．用特征矩阵法计算光　子晶体的带隙结构［Ｊ］．物理学报．　２００１’５Ｏ（１１）：２１　７２—２１７８．　［４】刘鸿娟等．用转移矩阵方法计算一维　光子晶体的禁带结构．江西师范大学学报　（自然科学版）＿第２８卷第２期２００４年　５月　［５］朱敏ｉ方云团等．一维准周期结构　的光子晶体的带隙结构．激光杂志．２００４　年第２５卷第４期　［６】匡苹方　张志峰．传输矩阵法分析一维　光子晶体的传光特性　激光杂志。２００５年　第２４卷第４期　［７］方云团　沈廷根，谭锡林ｉ层状光子晶　体光纤的设计和特征．激光杂志．２００４年　第２５卷第１期　［８】方云团　涂成华．层状随机分布的光　子晶体光纤．光通信技术　２００４年第７　

纳米掺杂空芯光子晶体光纤传感器的特性分析

纳米掺杂空芯光子晶体光纤传感器的特性分析

第２７卷第４期　２０１１年８月　天津理工大学学报　ＪｏＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　Ｖｏ１．２７　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１１　

文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２０１１）０４－００２３—０４　

纳米掺杂空芯光子晶体光纤传感器的特性分析　

章宦记，任广军　

（天津理工大学电子信息工程学院薄膜电子与通信器件天津市重点实验室，天津３００３８４）　

摘要：基于现有Ｃｏｍｓｏｌ　Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ软件，分析了圆形掺杂空芯光子晶体光纤的损耗特性随小孔孔径变化以及所　掺物质改变时变化曲线，结果表明，圆形掺杂空芯光子晶体光纤入射波长在９００ｎｍ至１００Ｏｎｔｏ及１３００ｎｍ与１４８０ｎｍ　范围内具有较好的损耗特性，为进一步探讨掺杂空芯光子晶体光纤的传输特性提供了理论依据和参考．　关键词：圆形掺杂；空芯光子晶体光纤；损耗；入射波长；全矢量有限元法　中图分类号：ＴＮ９２９　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－０９５Ｘ．２０１１．０４．００７　

Ｎａｎｏ－ｄｏｐｅｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　

ＺＨＡＮＧ　Ｈｕａｎ－ｊｉ，ＲＥＮ　Ｇｕａｎｇ－ｊｕｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｉｌｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｆｕｌｌ—ｖｅｃｔｏｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｒｏｕｎｄ—ｄｏｐｅｄ　ｈｏｌｌｏｗ—ｃｏｒｅ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｌｏｓｓ　ｃｈａｒａｃ・　ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｃｈａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｐｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｃｈａｎｇｅ　ＣＨＩＶｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ｈｏｌｌｏｗ—ｃｏｒｅ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　ｄｏｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗａｖｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　９００ｎｍ　ｔｏ　１０００ｎｍ　ａｎｄ　１３００ｎｍ　ａｎｄ　１４８０ｎｍ　ｒａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｇｏｏｄ　ｌｏｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｅｘｐｌｏｒｅ　ｔｈｅ　ｄｏｐｅｄ　ｈｏｌｌｏｗ—ｃｏｒｅ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ａｎｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｕｎｄ—ｄｏｐｅｄ；ｈｏｌｌｏｗ—ｃｏｒｅ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｆｉｂｅｒ；ｌｏｓｓ；ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗａｖｅ　ｌｅｎｇｔｈ；ｆｕｌｌ—ｖｅｃｔｏｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ