引用本文：

马依拉木·木斯得克，阿布都克力木·阿布力孜，任艳，等. 1.55 μm波段处高灵敏度光子晶体光纤设计[J]. 光通信技术，2025，49（3）：47-52.

1.55 μm波段处高灵敏度光子晶体光纤设计

马依拉木·木斯得克1，阿布都克力木·阿布力孜1，任 艳1，姚建铨2

（1.新疆财经大学 信息管理学院，乌鲁木齐 830012；2.天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）

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摘要：为了进一步提高光子晶体光纤（PCF）的灵敏度，设计了一种由圆形与矩形空气孔复合构成的PCF。该光纤由4层圆形空气孔包层和纤芯区5个矩形空气孔组成。基于全矢量有限元法设置完美匹配层边界条件，系统模拟分析了水、乙醇、苯3种分析物填充时PCF的光学特性。研究结果表明，在1.55 μm波长下，该PCF对3种分析物的灵敏度分别达到71.8%、74.5%、75.6%，较现有PCF提升了1.26~7.97倍、1.24~6.2倍、1.2~5.6倍，同时实现了10-3量级的高双折射和低于10-5 dB/cm的低损耗特性。

关键词：光子晶体光纤；有限元法；灵敏度；双折射；限制损耗

中图分类号：TN253 文献标志码：A 文章编号：1002-5561（2025）03-0047-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.03.008

研究背景与目的

  • 背景：光子晶体光纤（PCF）因其独特性能如无限单模传输、高双折射、强非线性等，在光纤传感器领域有重要应用。

  • 目的：设计一种新型PCF结构，提高化学传感的灵敏度，同时实现高双折射和低损耗特性。

新型PCF结构设计

  • 结构特点：

    • 包层：4层圆形空气孔，按四边形阵列排列。

    • 纤芯：5个矩形空气孔，替代传统的9个圆形空气孔。

  • 参数：

    • 空气孔中心间距Λ=1.24 μm

    • 矩形孔高度a=0.6 μm，宽度b优化至3.65 μm

    • 相邻矩形孔中心间距p=0.62 μm

研究方法与结果

  • 方法：基于全矢量有限元法（FEM）和完美匹配层（PML）边界条件进行仿真分析。

  • 分析物：水、乙醇、苯

  • 主要结果：

    • 灵敏度：在1.55 μm波长下，对水、乙醇、苯的灵敏度分别达到71.8%、74.5%、75.6%，较现有PCF提升显著。

    • 双折射：实现10^-3量级的高双折射。

    • 限制损耗：低于10^-5 dB/cm。

性能对比与优势

  • 对比：与现有多种PCF结构相比，新型PCF在灵敏度、双折射和限制损耗方面均表现出显著优势。

  • 优势：结构简化，制造可行性高，适用于化学传感、生物检测及环境监测等领域。

制造可行性分析

  • 制备方法：溶胶-凝胶法因其工艺灵活性适用于制备复杂包层结构的PCF。

  • 制造误差影响：当结构参数在最佳值附近波动时，灵敏度变化微小，表明该结构具有良好的工艺容差。

结论

  • 总结：新型PCF结构通过创新的纤芯-包层优化设计，实现了高灵敏度、高双折射和低损耗的特性，为生化传感应用提供了新的技术方案。