基于倏逝波的光子晶体光纤传感特性研究

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光子晶体光纤(PCF)又称为微结构光纤或多孔光纤,其具有独特的物理性质和导光优点:在横截面上有很多沿轴向呈周期排列的空气孔,致使光子晶体光纤有很大的自由制作空间,我们可以通过改变孔间距、孔直径、孔形状以及小孔排列方式来改变其传输特性。利用光子晶体光纤的这种特性,可以制作各种不同功能的传感器件,而基于倏逝波的光子晶体光纤传感器在传感领域里占很重要地位。本文对太赫兹波段的PCF倏逝波传感特性进行了深入研究,并创新性地对带隙型PCF的倏逝波传感特性做了细致模拟和透彻的理论分析。本文研究内容主要包括:文章首先对光子晶体和PCF的特点和原理进行介绍,然后分析了近十年来基于倏逝波的光子晶体光纤传感发展现状,接着提出本文的研究内容和创新点。介绍了倏逝波的原理、PCF倏逝波传感、太赫兹PCF倏逝波传感的特性,并且对太赫兹的定义、特点、应用进行说明,引进太赫兹作为PCF传感器的波源。介绍了光子晶体光纤模拟的多种数值计算方法,对本文主要运用的有限元法和平面波展开法原理进行详细讨论。在红外波段利用有限元软件Comsol对TIR-PCF进行模拟,得到了不同包层占空比下,基模有效折射率、模场面积、小孔中能量与总能量的比值、相对灵敏度、限制损耗等随波长的变化曲线,并且比较了相对灵敏度随改进纤芯结构后的变化。然后在太赫兹波段,讨论了不同的纤芯小孔个数以及纤芯小孔半径对相对灵敏度的影响,为倏逝波光子晶体光纤传感器件的制作提供理论参考。主要利用Rsoft模拟软件基于平面波展开法对PBG-PCF的带隙位置和宽度进行了仿真,并比较纤芯孔半径及填充物折射率对带隙的影响,还用Rsoft求出空芯带隙型光子晶体光纤的基模和光功率分布,在红外波段比较实芯和空芯PCF的灵敏度大小。另外,在太赫兹波段求反谐振模型光子晶体光纤的带隙,在带隙范围内研究了其基模有效折射率、模场面积、相对灵敏度等导光特性。
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