光子晶体液晶光纤的光波导特性

在光子晶体光纤芯区的圆空气柱中填充向列相液晶,用电场控制液晶分子的排列方向,构成了一种光子晶体液晶光纤.用阶跃有效折射率模型研究了电场、工作光波长及光纤结构参数对可调光子晶体液晶光纤的双折射和模式截止特性,并用E7液晶进行了数值计算.结果表明这种光纤的双折射值随电场增大而增大,增大电场和减小光波长可使光纤由单模传输变成多模传输,减小包层中空气孔的相对孔径引起光纤中单模与多模界面向短长波方向移动,包层的相对孔径小于0.14左右时光纤出现无截止单模传输,此值小于没有液晶填充PCF出现无截止单模传输时的包层相对孔径,电场的变化不会对无截止单模传输产生影响.     

基于液晶填充的全内反射型光子晶体光纤的温度传感特性

在实心光子晶体光纤包层的空气柱中填充向列相液晶,选用液晶的折射率在所研究的温度和波长范围内小于光纤背景玻璃的折射率,形成全内反射型光子晶体光纤.采用空间填充基模折射率法求得填充液晶包层的有效折射率,用阶跃有效折射率模型研究了液晶填充光子晶体光纤的温度传感特性,并进行了数值计算.结果表明,液晶填充全内反射型光子晶体光纤的有效折射率和等效芯半径随温度升高而增大,在温度接近液晶相变点附近增大更快,二阶模截止波长随温度升高而减小,在温度接近液晶相变点附近减小更快.     

基于液体填充的光子晶体光纤温度传感特性分析

提出了一种基于在折射率引导型光子晶体光纤(PCF)中填充高折射率温度系数液体的新型折射率型光纤温度传感器.通过建立理论模型,设定入射波长和材料参数及完美匹配层边界条件,采用全矢量有限元法对六角形结构排列的折射率引导型光子晶体光纤的温度特性进行了分析.研究表明,在空气孔中填充液体乙醇,PCF模场分布随着温度变化明显,其有效折射率和限制损耗都随着温度升高而减小.相同的孔间距,占空比越大,输入波长越长,有效折射率和限制损耗受温度影响越大.当波长为1500 nm,占空比为0.7,温度从-20℃升至70℃时,限制损耗从3.5×102dB/m减小到22 dB/m.     

用等效折射率法分析PCF的无尽单模特性

阐述了等效折射率方法,利用矢量波动方程分析了光子晶体光纤(PCF)包层空间填充基模的传播常数,有效折射率与波长的关系,并计算了纤芯缺陷分别为1孔,3孔,7孔时光纤的归一化频率.通过对归一化频率的分析,得出不同占空比时,光纤的无尽单模区、单模区与多模区的特性变化.这对设计单模大模场PCF提供了重要的参考.最后,对等效折射率模型做了进一步总结,介绍了其应用优点和局限.     

光子晶体光纤耦合损耗的数值研究

光子晶体光纤(PCF)与普通单模光纤(SMF)以及不同结构光子晶体光纤之间的耦合损耗是急待解决的问题,采用光子晶体光纤的本地正交函数模型,对光子晶体光纤与普通单模光纤以及不同结构光子晶体光纤之间的耦合损耗进行了分析计算,得到了耦合损耗随光子晶体光纤结构参量以及波长的变化关系,给出了最优耦合的光子晶体光纤的结构参量。结果表明,PCF的孔距Λ是影响PCF与SMF耦合损耗的最主要因素,当Λ为某个特定值时,PCF与SMF的模场半径相等,耦合损耗最小,偏离这个特定值时的耦合损耗都会增大;PCF之间的耦合损耗取决于它们孔距的差异;此外由于模场半径与波长有关,当波长为某个特定值时,PCF与SMF模场半径相等,此时耦合损耗也最小。因此,在PCF设计过程中应综合考虑这些相关因素。     

非均匀孔径光子晶体光纤的模式截止

对于非均匀孔径光子晶体光纤(PCF)模式截止特性的分析,基于基空间填充模(FSM)的方法不再适用。使用全矢量超格子模型给出了光子晶体光纤模场半径的计算方法,并提出通过分析各模式模场半径的突变现象可以判断模式截止,使用该方法对双孔保偏光子晶体光纤和最内层为小孔的光子晶体光纤模式截止特性作了分析和讨论,结果表明,通过该方法能准确地判断非均匀孔径光子晶体光纤中的模式截止,只要波长扫描的精度足够高就能精确地求解出各个模式的截止波长。     

用等效经验关系法研究光子晶体光纤的非线性

运用具有三角形孔格子结构的光子晶体光纤(PCF)的近似经验关系与等效折射率模型相结合的方法来研究PCF的非线性。总结更为简捷的经验关系式进行计算,避开复杂的全矢量计算,得到了PCF基模和空间填充基模的有效折射率。利用等效折射率模型,以传统的阶跃光纤等效替代PCF,以光纤的数值孔径作为两个模型的关联点,得到了PCF的有效纤芯面积的简洁表达式。并在此基础上全面讨论了PCF的非线性与其结构参数及材料参数之间的关系,得到了与实际材料非线性相吻合的结论。     

应用等效折射率模型研究光子晶体光纤

应用等效折射率模型研究了光子晶体光纤(PCF)的传播特性.介绍了光子晶体光纤的等效折射率模型.通过求解标量波动方程得到了光子晶体光纤包层基空间填充模的模式折射率,利用阶跃光纤的理论来研究光子晶体光纤的导模特性.应用此模型对不同结构光子晶体光纤包层区的等效折射率与波长的关系进行了讨论.包层区等效折射率与芯子的折射率差随波长的增加而增大,并由此阐述了光子晶体光纤的单模特性.数值分析得到光子晶体光纤的基模的模式折射率,并由此研究了光子晶体光纤的波导色散与结构参量的关系.分析表明,光子晶体光纤的波导色散随空气孔孔距的变化符合Maxwell方程的比例性质.空气孔的相对孔径对波导色散有重要的影响.这些分析表明光子晶体光纤具有可以灵活设计其色散特性的潜在应用前景.     

氢氟酸填充腐蚀方法在光子晶体光纤制造中的应用

提出一种研制光子晶体光纤(PCF)的氢氟酸填充腐蚀新方法.该方法将氢氟酸填充于已拉制的光子晶体光纤空气孔中,通过改变其横截面结构,研制具有特定结构的光子晶体光纤,改变其导光性能.研究表明,随着对光子晶体光纤空气孔腐蚀程度的加深,其泄露损耗和散射损耗不断减小,非线性系数明显提高,纤芯基模的有效折射率和包层的等效折射率相应减小,群速度色散也随之改变.     

普通光纤与小芯径实芯光子晶体光纤的塌孔熔接技术

光子晶体光纤(PCF)和普通光纤的熔接损耗主要来源于两光纤模场直径(MFD)的失配。提出了一种小芯径光子晶体光纤和大模场直径普通光纤低损耗熔接的方法。利用熔融拉锥机加热光子晶体光纤来精确控制光子晶体光纤的空气孔塌缩,以增加光子晶体光纤的模场直径,从而降低其与大模场直径普通光纤的熔接损耗。实现了模场直径为3.94μm的光子晶体光纤和模场直径为10.4μm普通光纤的低损耗熔接,最低损耗小于0.2 dB。     

基于液晶填充的带隙型光子晶体光纤的滤波特性

在实芯光子晶体光纤的周期排列的空气孔包层中,填充高折射率液晶介质,使其形成光子带隙.由于填充后低折射率的纤芯周围分布着高折射率液晶棒,光子晶体光纤的横向因布拉格反射而形成了许多传输带,呈现多通道滤波特性.基于光子带隙理论,利用平面波展开法对填充液晶前后光子晶体光纤传导机制的转变进行了探讨,研究了填充液晶对光子晶体光纤滤波性能的影响.结果表明,当电场增大时,滤波通道中心向长波方向移动,滤波通道带宽增大;而对于相同的外加电场,随着液晶折射率的逐渐增大,滤波特性与电场增大情况类似,光子带隙开始向长波方向漂移,同时带隙的宽度也逐渐变大.

Abstract：

The photonic band gap is proposed by filling high-index liquid crystal into its periodically arranged air holes of the clad of solid core photonic crystal fibers (PCFs).Owing to the high-index liquid crystal clubs arranged around the low-index core after filling,PCFs show conductive bands and multi-channel filtering properties induced by transversely Bragg reflectance.Based on photonic band gap theory and plane wave expansion method,the effect of liquid crystal on the conduction change of PCF and filtering properties are researched.The results show that with the increase of electric filed,the filter channel center moves to long wavelength,and the bandwidth of filter channel increases.However,for the same applied electric field,with the increase of refractive index,the photonic band gap moves to long wave length and meanwhile the band gap increases.     

新型大模场光子晶体光纤传输系统及其传输特性分析

通过在多模光子晶体光纤的两端分别连接一根单模光子晶体光纤,对其选择合适的参数,形成一种可以实现低弯曲损耗、大模场单模传输的光纤传输系统。运用数值仿真,分析了该传输系统在模场面积、弯曲损耗、连接损耗等方面的特性。研究结果表明,多模光子晶体光纤与单模光子晶体光纤所组成的系统可实现有效的单模传输;工作波长为1064nm时,多模光子晶体光纤在直波导状态时的基模模场面积可达1593μm2;在弯曲半径低至10cm时,多模光子晶体光纤仍然可以保持低损耗传输。经过对多模光子晶体光纤结构参数的优化,其与单模光子晶体光纤的连接损耗降低至0.085dB。     

Analysis of modal characteristics and thermal effects on photonic crystal fiber laser

In this paper, thermo-optics effects on fiber lasers based on index-guiding photonic crystal fibers (PCFs) are studied. The modal characteristics of the PCF lasers are discussed in terms of the thermal effects. Modal analysis of PCF has been done with help of plane wave expansion and supercell lattice methods. The thermal analysis is performed by obtaining the effective index of fundamental mode and core confinement factor (CCF) when the fiber laser was pumped. The results show that PCF laser structure has negligible modal sensitivity to thermal load in comparison to conventional fiber laser. Analyzing the mode performance of the fiber laser under thermal load shows that the assumed PCF laser at 80 W/m pump power show ∼500° rise in temperature and 0.34% propagation constant variation in fundamental mode index and 0.04% CCF variation in fundamental mode.     

用于光子晶体光纤研究的超格子构造法

提出应用“超格子构造法”研究光子晶体光纤(PCF)的传输特性。电场用正交完备的厄米-高斯(Hermite-Gauss)函数展开,有中心缺陷的周期性分布的介电常数用两组不同周期的介电常数分布迭加构成超格子，每组介电常数都用余弦函数展开,然后利用波动方程及厄米-高斯函数的正交性。得到光子晶体光纤的传输特性(模场分布、双折射、色散)。模式双折射的大小可用以衡量该算法的精度。     

Analysis and Design of Photonic Crystal Fibers Based on an Improved Effective-Index Method

The modal characteristics of photonic crystal fibers (PCFs), with guiding cores consisting of one or seven missing airholes, are investigated with the finite element method and compared to those of step-index fibers (SIFs). To extend the applicability of the classical SIF theories to PCFs, the effective refractive index of photonic crystal cladding and the effective core radius of a PCF are studied systematically, based on simple physically consistent concepts. With the new effective cladding index and core radius of PCFs, the classical definition of the V parameter for SIFs is extended to PCFs, and a highly efficient approach based on the effective-index method is developed for the design of PCFs. The new design approach has been successfully employed to analyze the modal properties of PCF lasers with depressed-index cores and further tested by using it to effectively estimate the number of guided modes for PCFs with large cores     

Large Negative Dispersion in Dual-Core Photonic Crystal Fibers Based on Optional Mode Coupling

Chromatic dispersion of dual-concentric-core photonic crystal fibers (PCFs), which have an inner low-index core and an outer high-index core, is investigated based on a full vector finite-element method. Large negative dispersion can be obtained by introducing avoided crossing between modes of the two asymmetric cores. While increasing the negative dispersion, larger effective mode area is also possible by choosing a higher order mode in the outer core to couple with the fundamental inner core mode. During the analysis, a dual-core PCF with a dispersion peak value of -36 000 ps/(nmldrkm) and effective mode area of 34.8 mum² is presented.     

高非线性液芯光子晶体光纤中超连续谱的产生

提出了一种实现高非线性光子晶体光纤(PCF)的新方法,即在空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的纤芯空气孔中填充高折射率、高非线性折射率的液态物质三氯甲烷、甲苯、二硫化碳等。利用全矢量有限元方法分析了这种液芯光子晶体光纤的模式分布及色散性质,分析得出其零色散波长可在800 nm左右调节,因此可使中心波长800 nm的钛宝石飞秒脉冲激光在这种光子晶体光纤的反常色散区传输,有利于超连续谱的产生。而且由于填充后光子晶体光纤具有较高的非线性系数,较小功率的脉冲激光就可在几毫米长的这种液芯光子晶体光纤中得到频谱范围大于1000 nm的超连续谱。     

一种新结构光子晶体光纤的双折射特性研究

在普通正六边形光子晶体光纤的基础上,通过改变x轴方向空气孔的大小及分布构造了一种新结构的光子晶体光纤。利用多极法对该光子晶体基模的模场分布及双折射进行了数值计算,分析了光波长与结构参数对双折射的影响,同时对光子晶体光纤的色散特性进行了研究。结果表明,通过改变x轴方向空气孔的大小以及分布结构使光子晶体光纤比普通六边形结构光子晶体光纤的双折射率明显提高,并且具有较低的宽带反常色散,在光纤双折射效应的应用和光学器件的研制等方面具有独特的优势。