可调谐光纤光栅微流体

摘 要：展示的是微结构光纤的气孔塞周期性注入微流体，使波长依赖性衰减，导致光纤之间产生共振耦合，形成光波导折射光栅。这是一个微结构谐振的例子，建立了增强可调谐光子晶体器件潜在的方法。应用的理论是液晶填充对光子晶体光纤传输特性的影响。

关键词：光纤光栅 微流体 谐振耦合 可调性

中图分类号：TN1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（b）-0065-01

在应用方面，操纵光信号的光子设备正成为光通信，光纤传感，医疗应用的关键技术。目前我国的光栅技术有光线编码器，大功率激光光栅，平面全系光栅，光栅单色仪等。随着光栅技术的成熟，光纤光栅的应用越来越多，光纤照明作为传导光能的一种特殊形式，近几年来应用也越来越广泛。纵观国内外的研究，微结构光纤光栅的迅猛发展，使得光纤光栅技术不断的完善。特别强调的是，自从1996年Knight等人研制出第一根光子晶体，光子晶体光纤光栅设计引起了广大研究人员的兴趣，改变光纤的设计实现它的更多的用途。

这里我们将设计用细管模拟光学波导光栅，定期间隔灌输一种微流体进入气孔塞，重构创造周期折射率光学波导光栅。通过开关的控制，使整个装置开始或者停止运动。变位器，可以负责控制总电阻，从而改变电路中的电流。电机，主要负责带动杆转动，使凸轮装置周期性转动。支架的作用是帮助固定整个装置。电源，为电路中提供动力能源。调节变位器，改变电机运转速度，我们将制作成定周期光纤微流体，微流体可具有可调谐性。

本次设计基于光子带隙理论。当在PCF的空气孔中填充液晶后，光纤变成了光子带隙光纤。基于1999年，Eggleton等人采用传统的相位掩模法和振幅掩模法在锗掺杂六角型光子晶体光纤中制造Bragg光栅和长周期光栅，这种做法增加了光芯部分的折射率，导致光子晶体光纤产生类似于普通阶跃光纤的传导特性，使包层中的空气孔对包层膜的作用只是传导功能，对纤芯膜式的传导起到辅助作用，或者根本不起任何作用。我们使用柚子型光子晶体，在光纤上写入光栅。利用光纤的传播模式在带隙的内外模式的损耗、色散等特性的差异，设计了通过调节外界物理量，调节包层中填充物质，改变光子带隙和传导的色散曲线所在的相对位置，从而使传导模式的损耗、色散等特性发生改变，最终将得到可调谐的光导纤维微流体。

应用光子晶体光纤。光子晶体光纤具备普通光纤所不具备的物理特点，光子晶体光纤可以通过改变空气孔的排列、大小或者是填充不同材料的聚合物，来灵活改变PCF的特性。光子晶体光纤光栅的写制方法可以采用传统的相位掩膜技术，可以控制包层膜并具有较高的耦合系数，对物理参量的敏感度更强，因而灵活性更高。Eggleton等人首次在柚子型光纤中写入光栅，并且采用了标量光束传播法来分析光纤的耦合特性。

在光子晶体光纤光栅的特性等方面，起决定性作用的因素光纤本身的结构，不同包层结构的光子晶体光纤光栅所表现出来的性质也是不同的。通过在光子晶体光纤的空气孔中填充对温度、电场等物理量敏感的介质，可以实现对光纤传导特性的控制，并得到可调谐的光纤功能器件，为实现可调节的通信器件和高灵敏度的传感器提供了可选方案。在写有光纤光栅的光子晶体光纤包层空气孔中填充介质，利用填充介质对包层膜的控制调整光栅的谐振波长，改变光栅透射谱和反射谱。

模仿微流体的可调谐光纤的原理图，图中的纤维是由6个约圆柱形气孔组成的柚子型结构。将锗掺杂在其核心位置，光传将播不互动的气孔。在高掺杂纤芯形成的纤芯传导的模式中，能量主要分布在纤芯中，受到空气孔的影响较小，我们主要目的就是减小空气孔对纤芯的影响。气孔可作为引入，能够实现动态的光学特性，实现材料的可调性。为了实现纤维之间的气孔和传输光的相互作用，纤维绝热以降低锥形外径部分。定时期且使微流体和空气间隔的注入到气孔中，我们将观察到最大观测频率。

电机圆周运动时定期向纤维中注入微流体。真空应用到光纤的另一端，微流体和空气交替进入纤维的孔。流体和空气，可以通过调整变位器的阻值来控制该纤维在每个循环中液浸深度。这有利于微结构之间的基本模式和高阶模式，进入部分相干耦合。周期性结构，使产生的共振耦合波长依赖性衰减。波导耦合模式相匹配的光栅，数学表达为

βfun-βhigh=2л/Λ （1）

其中βfun和βhigh分别为基本式和高阶模的传播常数，Λ为光栅的周期.当两种模式相匹配，光功率是它们之间的交换。光量在一定波长下进入高阶模式。周期性结构指数之间的差异和基本模场外部函式和高阶模式Ehigh的重叠取决于

K=∫∫ωε0/2（Δn）2Efun×Ehigh dA

由于传播常数的波长一定，相位发生在一个有限的波长范围。虽然流体和空气孔之间的空气指数不同：Δn=0.405，这比在光敏光纤光栅获得指数的变化大，耦合系数关系到基本和高阶模式的重叠，这些波导结构约为1×10-5/μm，数量级与传统的液化石油气的顺序相同。

为获得从1耦合到高阶耦合所需的波长模式。假设知道有效核心指数和高阶模式。可以使用传统的计算方法，通过发射光束传输到模拟波导结构的高斯光束。

我们用毛细现象使液体在管内停留一段水柱。通过定期调节浸渍频率，使微流体和空气周期进入光纤气孔塞。按下启动按钮，电动机开始工作，使衔接杆圆周运动。光纤进行周期性运动，使液体甘油和空气定期进入光纤。调节变位器，改变衔接杆的旋转速度，调节光纤频率。模拟出可调谐光纤光栅微流体。

参考文献

[1]C·Kerbage，B·J·Eggleton.OFS Laboratories，700 Mountain Avenue， Murray Hill，New Jersey 07974.

[2]廖延彪.光纤光学[M].北京：清华大学出版社，2000：212-213.

[3]刘兆伦，刘建民，马彪，等.光子晶体光纤的制备和应用进展[J].大连民族学院学报，2005，7（1）：39-44.