基于光子晶体光纤光栅的磁控可调谐Sagnac滤波器的理论分析.pdf

基于光子晶体光纤光栅的磁控可调谐Sagnac滤波器的理论分析【摘要】本文对光子晶体光纤光栅的各种特性进行了分析和研究，并提出将磁流体与光子晶体光纤光栅结合的设计思想。将填充了磁流体的光子晶体光纤光栅与Sagnac滤波器相结合，由于Sagnac滤波器的输出光谱是基于光子晶体光纤光栅的反射谱，那么光子晶体光纤光栅反射谱的改变就使得Sagnac滤波器的输出光谱也发生了改变，从而达到磁调谐Sagnac滤波器的目的。【关键词】可调谐滤波器光子晶体光纤光栅磁流体可控折射率1引言光子晶体光纤具备多种优越性能，抗电磁干扰性能；绝缘的电器性能；耐高温腐化的化学性能等等。但光纤也有其限定性，光纤是由玻璃或塑料拉制而成，因材质原因，一旦成型，光纤的各种功用性能就固定下来，很难根据需求做出改变。根据光子晶体光纤端面的二维周期结构，在空气孔中通过填充不同的功能材料进而达到改变光波传导的目的，间接等同于改变了光纤的内部结构。本文中选用的材料为磁流体。2Sagnac滤波器的理论分析2.1含有光子晶体光纤光栅的Sagnac干涉仪理论分析光子晶体光纤光栅的Sagnac干涉仪是基于光纤基模的正向和反向之间的谐振耦合而实现的，它自身的反射谱为一个谐振峰；加上基模与包层模的耦合，整体的反射谱会增加多个谐振峰。单一输出反射谱时，Sagnac干涉仪所输出的通带都位于光纤光栅反射谱的包络内，但光子晶体光纤光栅的反射谱由多个谐振峰组成，此时的Sagnac干涉仪所输出透射谱将会发生变化。我们是将磁流体填充进光子晶体光纤光栅包层的空气孔中去，促使光子晶体光纤光栅包层的有效折射率便发生改变，进而改变了光子晶体光纤光栅的传输谱，从而达到Sagnac干涉仪输出谱发生变化，达到可调谐的目的。2.2光子晶体光纤光栅的结构分析及选择我们知道改变光子晶体光纤的结构参量，就能够影响光纤中各个模式的等效折射率和模场分布，从而影响光纤中光栅产生的传输谱。刘锐等人从空气孔层数变化和空气孔填充率变化对光栅传输谱的影响方面做了一系列分析[1]。其它参数不变仅改变光子晶体光纤光栅上包围掺锗纤芯的空气孔层数，这时对它的传输谱中各个包层模共振损耗峰的位置几乎是没有影响的[2]，但空气孔层数增加，光纤束缚光的能力也逐渐增强，基模更加集中于纤芯，促使基模与高阶模的重叠部分加大，即基模与高阶模间的耦合系数增大，相应的包层模共振损耗也会增大。基模与其他阶包层模间耦合的耦合系数的变化趋势也相同。因此我们可以利用这一变量关系来改变包层模共振峰的传输谱。同样的，在仅改变空气孔填充率时，填充率越高包层的等效折射率越低，包层模式的等效折射率也会下降，光子晶体光纤中基模和包层模式的等效折射率之差是随光纤截面上空气孔填充率的增加而增加的。这使得光栅传输谱中布喇格反射峰与基模与包层模的耦合峰之间的间隔增加，即布喇格反射峰附近的自由光谱范围会随着填充率的增加而增加。2.3磁流体的选择我们知道改变外加磁场时，磁流体的折射率会发生改变，光子晶体光纤光栅包层的有效折射率也随之变化。根据光子晶体光纤光栅耦合模的分析，此时光子晶体光纤光栅的基模与包层模的谐振峰会发生改变。我们已经选定了合适的光子晶体光纤光栅，通过计算，当等效折射率为1.47时，磁流体的折射率为1.468，也就是说，磁流体的折射率不能够超过1.468在温度恒定下我们讨论磁流体的初始浓度和薄膜厚度。Chin-YihHong等人在2003年通过一系列的实验确定了影响磁流体的因素[3]，基于他的实验数据来确定我们所需要的磁流体浓度。3结语本文分析设计了光子晶体光纤光栅的结构特性和磁流体的特性，将磁流体与光子晶体光纤光栅相结合产生的新特性用于Sagnac滤波器的设计上，使Sagnac滤波器能够通过利用变化的外部磁场调节磁流体折射率达到可调谐的目的。通过分析软件对多个填充了磁流体的光子晶体光纤光栅进行分析，在磁流体的浓度和光子晶体光纤光栅的纤芯折射率确定的情况下找出一种适合本论文的光子晶体光纤光栅，并分析它的各种特性。取分别为0mm、1mm和2mm时，光子晶体光纤光栅的磁控可调谐Sagnac滤波器的输出谱分别拥有1个、3个和5个光通道，则越大得到的光通道数目越多。而当=1mm时，加入外加磁场使基模和包层模耦合的谐振峰发生变化，波长方向移动，最终调谐范围达到了4.00nm。参考文献：[1]刘锐，翟荣辉，蔡海文，方祖捷.光子晶体布拉格光栅传输谱特性的分析[J].光学学报，2006，7（25）：1007-1012.[2]XuewenShu，ShanJiang，DexiuHuang.FibergratingSagnacloopanditsmultiwavelength-laserapplication[J].IEEEphotonicstechnologyletters，2000，8（12）：980