设计了一种基于36Bi₂O₃-30GeO₂-15Ga₂O₃-10BaF₂-9Na₂O玻璃的可在~3 μm波段同时实现高双折射和大负色散的微结构光纤,该光纤结构包括空气孔呈矩形排列的内包层和空气孔呈正六边形排列的外包层。运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件,从理论上研究了光纤波导结构参数对光纤双折射特性和色散特性的影响。结果显示:在波长2740 nm处,当微结构光纤的结构参数为外包层孔间距Λ_out=1.5 μm,外包层占空比d_out/Λ_out=0.68,内包层占空比d_in/Λ_in=0.86,Λ_out/Λ_in=3时,光纤基模的双折射值达到0.0296,x方向偏振基模的色散系数可达-3204.75 ps·nm ^-1·km ^-1。结果表明,所设计光纤对~3 μm波段光纤激光器的色散与双折射调控或光纤传感领域扩展具有一定的指导意义。

为了改善传统光纤灵敏度低、损耗高和非线性效应不易控制的问题，设计一种新型高双折射、低损耗和高非线性的类椭圆纤芯光子晶体光纤(PCF)结构。基于全矢量有限元法，通过COMSOL分析研究了光纤端面的空气孔直径和位置对双折射、限制损耗、模场特性和非线性等特性的影响。仿真结果表明：所设计的PCF结构在波长为1.550 μm处的双折射率达1.918×10-3，x和y极化偏振方向的限制损耗分别为Lcx=1.6×10-3 dB/km和Lcy=8.0×10-4 dB/km，非线性系数达到9.4 km-1W-1，且满足单模传输，实现了高质量、高精度的光信号传输与传感。

基于严格的全矢量衍射理论，系统详尽地分析了装校失调对大口径离轴抛物面镜（OAP）光束聚焦特性的影响。研究结果表明，OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转后衍射焦斑形态没有发生改变，只是焦斑中心位置发生了偏移，利用瑞利判据获得了OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转公差的量化关系；当OAP发生绕x″或y″轴偏离旋转时会引起像散、彗差的出现致使衍射焦斑形态发生变化，产生严重畸变，大幅降低焦斑的峰值光强。并详细探讨了衍射焦斑峰值光强下降10%时容许的最大旋转偏离角与OAP离轴参量、光束参量的变化关系。因此，理解装校失调对光束聚焦特性的影响机制及变化关系，可以为OAP的精密调整提供可靠的理论依据。

为探究如何消除双芯光波导的模间色散,提出了一种纤芯填充高折射率溶液的双空芯光子晶体光纤,并基于全矢量有限元法进行了理论分析,获得了光纤的模式有效折射率、耦合系数、模间色散系数。研究结果表明:当纤芯所填充的溶液折射率为1.40时,光纤的y偏振方向上模间色散在800 nm传输波长处为零,理论上能够完全消除y偏振方向上模间色散导致的脉冲畸变。即,当传输光波长为800 nm时,这种光纤在y偏振方向上可以抑制模间色散,从而可以广泛用于全光开关、超短脉冲传输、光孤子传输等应用场合。

针对光子晶体光纤折射率传感器外表面金属薄膜易氧化的问题, 文章提出一种新型结构的光子晶体光纤折射率传感器, 该光子晶体光纤内部空气孔呈螺旋轨迹排列。光纤外表面进行双层膜涂覆, 使用银作为表面等离子体共振材料涂覆在光子晶体光纤的外表面, 在银膜外又涂覆了一层15 nm厚度的氧化锌薄膜以防止银被氧化。在各向异性的完美匹配层边界条件下, 利用全矢量有限元法对传感器特性进行了数值仿真, 结果表明: 该传感器所能测量的折射率范围为1.30~1.36, 灵敏度最高可达5 200 nm/RIU, 分辨率可达1.92×10-5RIU。

为了提高压力传感器的灵敏度, 利用光子晶体光纤理论及其高双折射特性和可灵活设计的结构特点, 设计了一种新型边孔高双折射光子晶体光纤压力传感结构。采用全矢量有限元法并结合COMSOL软件对传感结构的受力和模场分布进行仿真分析, 获得压力传感特性随几何结构和自由空间波长的变化关系, 通过优化设计得到最优结构参量, 进一步获得高压力灵敏度。结果表明, 在最优结构下, 自由空间波长为1.55μm、压力为200MPa时, 偏振相位灵敏度为166.2rad/(MPa·m), 所能施加的最大压力为720MPa, 相位模式双折射灵敏度保持在4.1×10-5MPa-1左右。该研究对提高压力传感器的灵敏度是有帮助的。

提出一种采用TiO₂膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO₂薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200 nm·RIU ^-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO₂厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。

设计了一种新型高负色散光子晶体光纤,其纤芯由三根空气柱形成,三种 孔径大小不同的空气柱以六角点阵方式排列。基于全矢量有限元法,结合各向异 性完美匹配层边值条件对光子晶体光纤的色散、模场、非线性、约束损耗和双折射 等特性进行了数值计算。结果表明光纤结构参数Λ、d、d1、d2分别为1.15、0.88、0.83、1.14μm时, 该光纤在低损耗通信窗口C波段呈现高负色散,在波长1.55μm处负色散值、双折射、约束损耗、 非线性系数分别为-11660 ps·km-1·nm-1、2.03×10-3、10-3 dB·km-1、 7.33 km-1·W-1。可见该光纤在低损耗通信窗口C波段呈现高负色散、低损耗、高双折射、低非线性, 具有很好的色散补偿能力,有望在光通信系统中获得应用。

设计了一种新型结构的光子晶体光纤, 建立了对应的数学模型并采用全矢量有限元法对该结构的模场强度、有效折射率、双折射、色散特性和限制损耗进行了分析。研究表明, 该光纤在1550nm处可以获得高达7.66×10-3的双折射和低至12ps/(nm·km)的色散值, 同时在800~1600nm波长范围内, 始终保持1.498×10-6dB/m以下的极低限制损耗, 可用于制造极低色散值的保偏光纤。

设计了基于正四边形晶格空气孔排列的光子晶体光纤,并在此基础上,通过在纤芯附近引入不同的微结构空气孔,运用全矢量有限元差分法,对不同微结构的光子晶体光纤的模式有效折射率、限制损耗、模场有效面积、非线性系数、波导色散系数等特性参数进行了仿真与分析。结果表明:引入不同的微结构,可以减小有效模场面积和增大非线性系数;引入正四边形微结构空气孔时,其限制损耗整体变化幅度较小;引入正八边形微结构空气孔时,其对应的波导色散系数在中波段变化比较平坦,且在波长为1 550 nm处波导色散系数接近于零;引入正十二边形微结构空气孔时,其波导色散系数均为负值且变化幅度不大,可以应用于光纤的色散补偿。根据对引入不同微结构的光子晶体光纤的特性研究,为进一步研究光子晶体光纤提供一定的参考。