光子晶体光纤气体传感灵敏度的有限差分法分析.pdfVIP

第 36卷第 1期 光 子 学 报 Vo1．36No．1 2007年 1月 ACTA PHOTONICA SINICA January2001 光子晶体光纤气体传感灵敏度的有限差分法分析* 顾雯雯，赵建林 ，崔莉，侯建平 (西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所 ，西安 710072) 摘 要 ：提 出了一种适合于高灵敏度气体传感器的新型光子晶体光纤结构 ．采用全矢量频域有限差 分方法，研究了基于不同结构光子晶体光纤的气体传感器的相对灵敏度 ．由全矢量频域有限差分法， 通过直接求解由麦克斯韦方程组导出的标准特征值方程，可以得到光纤中可能存在的不同模式的传 播常量、电场分布和磁场分布 ．分别给出了三种不同结构光子晶体光纤在波长为 1．3312 m处，与结 构参量变化对应的相对灵敏度变化以及在不 同波长情况下的相对灵敏度变化 ．结果证明，该新结构 具有较其它代表性的折射率引导型光子晶体光纤结构更高的灵敏度 ，特剐适合作气体传感器 ． 关键词 ：光子晶体光纤(PCF)；频域有限差分 (FDFD)；相对灵敏度 ；气体传感器 中图分类号 ：TN253 文献标识码 ：A 文章编号 ：1004-4213(2007)01-0094—5 0 引言 是研究 PCF的快速灵活有效的方法之一 ． 在 PCF出现之前 ，人们 曾提 出过用D型光纤作 光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber，PCF)[1-3~ 光纤倏逝波气体传感器 引，但是相对灵敏度非常 以其独特 的性质引起了国内外广泛的关注和研究 ． 低 ，大概 只有模式能量 的0．2 可 以被用作探测． 人们先后提出了多种数值模拟方法[4用 以对其进 PCF包层中的空气孔为倏逝波与气体物质相互作 行分析，如：有效折射率法、平面波法、边界元方法、 用提供了新的途径 ．Monro等人 。验证了特殊结构 有限元方法、有限差分法等 ．这些方法对于PCF的 的PCF可 以作为气体传感器 ，并且从理论上指出了 模拟分析各有其优缺点和适用范围．有效折射率法 通过选择合适的PCF参量，可以获得高灵敏度的气 将 PCF近似为阶跃型折射率分布的传统光纤，忽略 体传感器 ． 了其中的复杂折射率分布，因此通过它可 以简单地 本文 旨在用 FDFD方法模拟不同结构 PCF的 计算出光纤中的一些性质 ，但不能精确地表示例如 模式 ，并通过对不 同结构 PCF的分析 ，提 出一种高 双折射和色散等模式特性；平面波法将波动方程 中 灵敏度的PCF结构，进而对该光纤在不同波长情况 的场和折射率用平面波分量分别进行展开，可 以精 下的相对灵敏度进行分析 ． 确地模拟 PCF，但是效率并不高，而且 由于平面波 1 频域有限差分 法对所处理对象的周期性要求较高，因而不能分析 横向分布周期性不好的PCF；有限元法 (FEM)通过 假设在光纤中传输着一定频率 ∞的单色光波， 在不同子空间离散麦克斯韦方程组 ，可以精确地获 则其场分量可以表示为O--~bexp[i( -Ott)]，其中 得不同结构PCF的横向场分布等，但在实际计算过 尼。，len， 代表电磁场强度矢量 E或H 的某一个分 程中，未知量太多，且这种方法不易掌握 ；时域有限 量 ．于是，可将麦克斯韦方程组中的两个旋度方程 差分方法是研究 电磁波问题 的一种常用方法 ，它可 ×E一一aiB (1