溫度對不同孔形液晶光子晶體光纖的傳輸特性研究

摘要： 提出一種可填充E7型液晶的不同孔形光子晶體光纖。基于現有Comsol Muhiphysics軟件對不同溫度時的光子晶體光纖在同一波長傳輸特性的影響，從而實現溫度變化對填充液晶的不同孔形光子晶體光纖的模場特性規律，得出基膜有效折射率、數值孔徑隨溫度變化快的圓形空氣孔是表現光子晶體光纖傳輸特性的最佳孔形。分析波導色散隨入射波長變化的影響，為更好地調制光子晶體光纖器件提供理論依據。

關鍵詞： COMSOL Muhiphysics； 液晶； 光子晶體光纖； 模場特性

中圖分類號： TN253?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0129?04

0 引 言

光子晶體光纖[1?2]（Photonic Crystal Fiber，PCF）是近年來出現的一種新型光纖，這種光纖通常是由單一介質構成，其微結構包層由在二維方向上緊密排列而在軸向結構不變的波長量級空氣孔組成。作為二維光子晶體的一種波導，光子晶體光纖表現出以往傳統光纖所不具備的性質，光子晶體光纖的性質與結構緊密相關，空氣孔尺寸大小d、孔間距A、空氣孔排布的形狀、中心傳光芯的尺寸直接決定了光子晶體光纖的傳輸性質。這些性質使光子晶體光纖的應用領域不斷的擴大，越來越吸引了眾多研究人員的興趣。最近幾年來，光子晶體光纖的制造技術、理論研究方法及其應用都取得了突破性的進展，這在很大程度上拓展了光子晶體光纖的應用范圍。在使用高折射率的材料填充空氣孔，可以適度調節光子晶體光纖的光學傳輸性質[3?5]。

液晶[6]的折射率對溫度的變化比較靈敏，所以填充液晶的光子晶體光纖的光學特性就可以在這些外部條件的控制下加以調節[7]。本文填充的E7型液晶是熱變型液晶中的向列型，國內外已有研究者對光子晶體光纖的包層空氣孔填充向列型液晶的論文見報，主要有光子晶體光纖進行填充液晶后的溫度調制和高敏感熱開關特性[8?9]、色散特性和濾波特性[10]等。采用液體的毛細作用的方法把液晶填充不同孔型的實心光子晶體光纖的包層空氣孔，在溫度遞增的情況下，可調光子晶體光纖的光學傳輸特性，并重點研究溫度對不同孔形的光子晶體光纖中傳輸模式、數值孔徑、有效折射率和色散的影響。

1 數值模擬

1.3 四種不同孔形有效折射率的溫度特性

有效折射率作為光子晶體光纖的重要參量之一，與光子晶體的其他特性緊密相關。不同傳輸模式的常數相對于不同的折射率。為了得到每個傳輸常數所相對應的模式，把有效折射率定義如下：

2 結 語

利用COMSOL Muhiphysics數值模擬不同孔形的填充液晶的光子晶體光纖的傳輸特性。計算三角形，正方形，橢圓形，圓形的結構，保證入射波長為1.55×10?6 m的情況。比較在4個不同孔形下，光纖基膜有效折射率，有效模面積，數值孔徑隨著溫度的變化關系。通過分析了圓形空氣孔的光纖，在不同溫度下光纖波導的情況，其中隨著溫度的變化，光纖基膜有效折射率、數值孔徑變化快。這些特性為液晶光子晶體光纖溫度傳感器器件的設計和應用提供理論基礎。

參考文獻

[1] KNIGHT J C， BIRKS T A， RUSSELL P S J， et al. A11?silica?single?mode optical fiber with photonic crystal cladding [J]. Optical Letters， 1996， 21（19）： 1547?1549.

[2] 鄧蘭馨，楊利，錢景仁.高折射率材料填充的光子晶體光纖傳輸譜分析[J].量子電子學報，2007，24（3）：341?346.

[3] LARSEN T T， BJARKLEV A， HERMANN D S， et al. Optical devices based on liquid crystal photonic bandgap fibres [J]. Opt. Exp.， 2003， 11（20）： 2589?2596.

[4] 溫福正，范萬德，李汝成，等.基于材料填充的可調光子晶體光纖器件[J].光電子技術，2006，26（2）：133?137.

[5] ZHANG C S，KAI G Y，WANG Z， et al. Simulations of effect of high?index materials on highly birefringent photonic crystal fibres [J]. Chinese Physics Letters， 2005， 22（11）： 2858?2861.

[6] YOSHINO K， SHIMODA Y， KAWAGISHI Y.Temperature tuning of the stop band in transmission spectra of liquid?crystal infiltrated synthetic opal as tunable photonic crystal [J]. Applied Phys. Letters， 1999， 75（7）： 932?934.

[7] WOLINSKI T R， ZANIAWSKA K S， BONDARCZUK K， et al. Propagation properties of photonic crystal fibers filled with nematic liquid crystals [J]. Opto?Electronics Review， 2005， 13（2）： 177?182.

[8] SUN J， CHAN C C， NI N. Analysis of photonic crystal fibers infiltrat ed with nematic liquid crystal [J]. Optical Communications， 2007（278）： 66?70.

[9] ZHANG C S， KAI G Y， WANG Z， et al. Tunable photonic bandgap microstructure fibers filled with high index material [J]. SPIE， 2005， 6019： 60193A1?60193A5.

[10] ZOGRAFOPOULOS D C， KRIEZIS E E， TSIBOUKIS T D. Photonic crystal liquid crystal fibers for single polarization or high birefrigence guidance [J] . Opt. Exp.， 2006， 14（2）： 914?925.

[11] 錢祥忠.溫度對液晶填充光子晶體光纖傳輸特性的影響[J].光學學報，2008，28（5）：988? 991.

[12] LIN J， WU S T， BRUGIONI S， et al. Infrared refractive indices of liquid crystals [J]. Journal of Appl. Phys.， 2005， 97： 0735011?0735015.

[13] LI J， WU S T. Extended Cauchy equations for the refractive indices of liquid crystals [J]. Journal of Appl. Phys.， 2004， 95 （3）： 896?901.