1 北京控制工程研究所，北京0090
2 空间智能控制技术重点实验室，北京100190
3 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京100191
光子带隙光纤有着独特的结构形式、传输介质和导光机制，这使其具有传统光纤无法比拟的优点，是未来光纤陀螺的理想选择。但光子带隙光纤粗糙的纤芯内壁导致其产生强烈的背向散射次波，会使光子带隙光纤陀螺产生额外的非互易误差。为了定量分析光子带隙光纤背向散射次波强度大小，论文基于电偶极子辐射理论建立了一种简单的光子带隙光纤背向散射次波理论模型。通过聚焦离子束微纳加工法和原子力显微镜测量得到了准确的纤芯内壁表面形貌功率谱密度，进而计算得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数理论值为2.61×10-9/mm。通过光频域背向反射散射仪得到HC-1550-02型光子带隙光纤背向散射系数测量值为~1.82×10-9/mm，初步验证了背向散射次波模型的正确性，为背向散射次波抑制技术研究奠定了基础。
光子带隙光纤 背向散射次波 功率谱密度 photonic bandgap fiber backscatter secondary wave power spectral density
1 河北工业大学 电子信息工程学院先进激光技术研究中心, 天津
2 浪潮电子信息产业股份有限公司, 济南
2 μm波段属于人眼波段, 并且具有大气通信窗口, 对该波段的研究是未来光通信系统亟待开发的领域。软玻璃材料相比于石英玻璃, 具有更宽的透光范围, 并且可扩展到中红外波段, 以配合2 μm波段光通信系统。设计了一种多芯空芯光子带隙光纤, 针对不同模式的模场面积、限制损耗和弯曲损耗等特性进行仿真分析。综合分析给出了2 μm波段单个和多个模式激光传输的最优波长。
空芯光子带隙光纤 2 μm波段 低损耗 弯曲损耗 hollow core photonic bandgap fiber 2 μm band confinement loss bending loss
Author Affiliations
Abstract
College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
We found the beam quality factor M2 of the fundamental mode as a function of wavelength is U-shaped in the working photonic bandgap (PBG) of an all-solid PBG fiber (AS-PBGF) for the first time, to the best of our knowledge, and our simulation results also match well with the phenomenon. The normal band that is near the high-frequency edge of the third PBG integrates the lowest M2 and single-mode operation simultaneously, while the other two edge regions suffer from anomalous variation of M2 versus wavelength. The general applicability of this finding can be further extended to other PBGs and also other representative structures in the AS-PBGF field.
all-solid photonic bandgap fiber beam quality factor U-shaped curve photonic bandgap Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 010602
河北工业大学 电子信息工程学院先进激光技术研究中心, 天津 300401
扩大传输容量已然成为现代光通信技术发展的首要任务。2 μm波段属于人眼波段, 并具有大气通信窗口, 是未来光通信系统亟待开发的领域。软玻璃材料相比于石英玻璃, 具有更宽的透光范围, 并且可扩展到中红外波段, 恰好配合2 μm波段光通信系统。空芯光子带隙光纤(hollow core photonic bandgap fiber, HC-PBGF)由于光纤带隙的存在, 提供了独一无二的导光模式。HC-PBGF具备灵活的光纤结构、较低的损耗, 可控的色散特性, 是非常适合光通信的传输媒介。设计了一种7-cell HC-PBGF, 对该光纤的色散、模场面积、限制损耗和弯曲损耗等特性进行仿真分析。
空芯光子带隙光纤 零色散点 低损耗 弯曲损耗 hollow core photonic bandgap fiber zero dispersion point low loss bending loss
提出并研究了空芯光子带隙光纤中表面模共振耦合效应和高温传感特性。实验上观测到光子带隙光纤中的表面模耦合效应,理论上诠释了该效应的产生原理。通过表面模耦合效应,对在光纤透射光谱中形成的多个共振峰进行温度和应变传感实验,观察到独特的温度和应变传感特性:共振峰在20~150 ℃之间低温不敏感,在150~260 ℃之间高温强度敏感。在150~260 ℃之间的温度敏感度达到-0.26 dB/℃,同时各处波长对温度不敏感;共振峰的强度和波长对应变不敏感。该空芯光子带隙光纤传感器解决了温度-应变之间交叉敏感的问题,可以有效实现高温环境下的强度实时检测,具有结构简单、使用方便等众多优点。
光学学报
2021, 41(13): 1306005
1 武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072
2 香港理工大学电机工程学系，香港 999077
3 北京卫星环境工程研究所，北京 100094
本文综述了空芯光子带隙光纤的独特性质，并介绍了近年来这类光纤在传感领域应用的新进展。光波在空气纤芯中低损耗传输是空芯光子带隙光纤的重要特性，它带来了长距离、大能量密度的光与物质相互作用通道，降低了光纤材料属性对传输光的影响(如中红外吸收、热光效应)，为诸如痕量气体/液体探测、高精度光纤陀螺仪等传感应用提供了高效的新平台。空芯光子带隙光纤内部精细的微结构具有新颖的机械性能和热性能，有利于诸如声波、振动探测等传感应用；还可结合光纤后期热处理、选择性填充等技术，对多孔包层进行结构修改或材料填充，获得进一步的性能和功能扩展。这些灵活性已用于开发具有新特性的光纤器件，例如光栅、起偏器和偏振干涉仪。目前，空芯光子带隙光纤传感技术的发展已大大扩展了光纤的环境感知能力和应用范围，是全光器件和光集成技术发展的重要方向。
空芯光纤 光子带隙光纤 光纤传感器 气体传感器 分布式气体传感 hollow-core fiber photonic bandgap fiber optical fiber sensor gas sensor distributed gas sensing
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
空芯光子带隙光纤拥有优越的环境适应性, 但光纤中的高阶模使其在多种场合下的应用受到制约。利用光子带隙内高阶模式在小于截止波长时被强烈抑制, 而基模在该波段可以稳定存在的特性, 提出了实现单模传输的方法, 并通过实验验证了该方法的可行性。在此基础上仿真分析了包层参数对单模传输波段的影响, 计算结果表明, 单模传输波段的带宽随材料折射率的增加而增加, 折射率由1.445提高到2时, 带宽增加2.9倍; 相对倒角由0.2提高到0.8时, 单模传输波段的工作波长移动310nm以上。
空芯光子带隙光纤 有限元法 空间光谱分析成像 高阶模式 单模传输 hollowcore photonic bandgap fiber finite element method spatially and spectrally resolved imaging highorder mode singlemode propagation
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
研究了一种光子带隙光纤准直器。为了降低回波对光源的干扰, 通常光纤准直器的回波损耗不应低于60 dB。由于带隙光纤端面没有反射, 因此满足这一条件的带隙光纤准直器GRIN透镜入射面的倾斜角与普通光纤准直器不同。从高斯光束通过光学系统的一般模型出发, 利用矩阵光学和高斯光束耦合理论, 推导了光线传输矩阵。结合实际应用中光纤及GRIN透镜的参数, 仿真分析了尾纤与GRIN透镜之间的间距及GRIN透镜的参数对准直器回波损耗的影响。结果表明, 镀有增透膜时, 当光子带隙光纤准直器的GRIN透镜入射面倾角等于3°时, 回波损耗大于60 dB。研究结果对进行光子带隙光纤准直器的设计具有指导意义。
光纤准直器 光子带隙光纤 回波损耗 fiber collimator photonic bandgap fiber return loss 红外与激光工程
2017, 46(9): 0920002
1 哈尔滨工程大学自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 东北电力大学自动化工程学院, 吉林 吉林 132012
提出了一种基于双芯光子带隙光纤(PBF)的单偏振(SP)定向耦合器，利用全矢量有限元方法(FEM)对其耦合特性进行了研究。结果表明：通过适当调整纤芯间微孔的大小及掺杂折射率可在耦合器获得SP特性；而纤芯间微孔椭圆率的变化并不会对其SP特性造成干扰，耦合器具有较高的结构参数容错性；通过优化参数，最终获得了一种长度仅为0.403 mm的SP定向耦合器。该耦合器在全保偏PBF(PM-PBF)谐振腔应用中， 能同时起到分束器及起偏器的作用，可以破坏次本征偏振态(ESOP)的谐振条件,有效抑制次ESOP的传输。这种具有较短长度的SP定向耦合器模场可与之前提出的PM-PBF的模场相匹配，有利于搭建起全PM-PBF谐振腔，这对抑制谐振式光纤陀螺(RFOG)热致偏振串扰噪声、提高RFOG的长期稳定性具有重要意义。
光纤光学 光子带隙光纤 单偏振定向耦合器 谐振式光纤陀螺 热致偏振串扰
北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
为了研究光子带隙光纤在1550nm波长下受径向压力的影响, 采用有限元法做仿真计算进行了定量研究, 并通过搭建实验系统对比分析了实测与仿真计算结果的差异。结果表明, 限制损耗随径向压力变化的灵敏度为0.00067(dB/km)/(N/m), 归一化分界面场强F参量随径向压力的变化率为0.68×10-6/(N/m), 折射率随径向压力的变化率为1.0×10-8/(N/m)。该研究为光子带隙光纤在光纤传感领域的应用提供了一种实验分析途径。
光纤光学 光子带隙光纤 有限元法 损耗 压力 fiber optics photonic bandgap fiber finite element method loss pressure
