本科毕业设计（论文）
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中文译文：
光子晶体光纤:传感器的基本特性和应用
作者:Jensen,Jesper Bo Damm;Riishede,Jesper;Broeng,Jes;Laegsgaard,Jes
Per;Alkeskjold,Thomas Tanggaard;Srensen,Niels Thorkild;Hougaard,Kris
Tian G.;Knudsen,Erik;Libori,Stlg Eigil Barkou;Bjarkiev,Anders Overgaard
国籍：美国
出处：电气和电子工程师协会传感器
摘要
自从1996年Knight等人首次对光子晶体光纤(PCF)进行实验演示以来，这类光纤的光学特性和制作引起了人们的广泛关注。与标准光纤相比，具有空气孔点阵的光纤结构在光纤长度上提供了大量的新的光学性能和改进。用于制作光子晶体光纤的叠拉法是一种高度灵活的方法，为制作具有特定特性的光子晶体光纤提供了很大的自由度。本文介绍了硅基光子晶体光纤的几个优异的光学性能，并对其在传感器中的应用进行了综述。
光子晶体光纤的制备
制作具有空气孔点阵结构的光子晶体光纤的主要方法是叠拉法，将石英玻璃的预制棒和管堆放在拉制塔中利用拉制方法拉制成光子晶体光纤。杆和管在烟囱中的相对位置决定了晶格的几何形状，而管的内外半径和纤维拉伸过程中的收缩控制了孔的周期和尺寸。引导型光子晶体光纤的核心是通过用实心棒代替管来定义的。这一制造过程需要经验丰富的制造商生产高度先进的光纤结构，包括多芯光纤。用软性材料制造光子晶体光纤的另一种方法是挤压法，挤压熔化的纤维材料通过一个精心设计过的孔排列模具。
光子晶体光纤的光学特性
用纯二氧化硅制备的光子晶体光纤的光学特性取决于空气孔的位置、几何形状和尺寸。一种被普遍接受的光子晶体光纤分类方法将光纤分为两大类：1)折射率导光型和2）带隙引导型。折射率导光型光子晶体光纤利用内部全反射原理工作，其芯层的折射率高于包层的有效折射率。折射率导光型光纤需要在光纤传输光的频率处有一个带光子带隙的空穴点阵。由于导光机理不同，这两类光子晶体光纤被视为两个独立的部分射率导光型光子晶体光纤。
所有折射率导光型光子晶体光纤的一个共同特点是固体硅芯被微结构覆层所包围。由于空气孔的存在，包层的有效折射率低于芯层的折射率，光在光纤中依据内部全反射原理进行传输。图1描述了折射率导光型光子晶体光纤的三个例子。例如图1a的大模场(LMA)和图1b的高非线性(HNL)的简单空穴点阵结构的折射率导光型光子晶体光纤的光学特性主要由晶格的几何形状、间距以及空气孔直径d所决定。与传统光纤相比，这类光纤的新特性之一是在排列为三角形的空气孔和中观察到无休止的单模引导现象。这种行为可以通过考虑归一化频率V来解释，它用于估计阶跃折射率光纤中的导模数。
这里是波长，a是内芯半径，表示芯的折射率和包层的有效折射率，是根据无限三角空穴晶格的基本空间填充模式进行计算得到。在传统光纤中，的频率依赖性可以忽略不计，且导波数随波长的减小而增加。在光子晶体光纤中，的频率依赖性足以抵消因子，因此，在较宽的波长范围内，第一高阶模式的V值保持在阈值以下。
特别是在制造高度非线性光纤这个领域中，光子晶体光纤已经证明了它相比于传统光纤的优势。在纤芯和覆层的界面上，覆层中空气孔的存在使其引入了一个大的指数阶跃。这一大的指数阶跃提供了一个强大的约束引导模式，从而在纤芯产生高模式场强度。此外，在光子晶体光纤光学特性设计时，其扩展自由度使制备在宽波长范围内的色散减小或在可见波长处的反常色散的光子晶体光纤成为可能。这种光纤可以表现出比曾被报道的传统光纤更强的非线性效应，因为传统光纤的色散限制了非线性效应的强度或光谱带宽。图1b显示了用于获得高非线性光子晶体光纤的图片。
折射率引导型光纤上的孔不一定要放置在晶格中。这方面的一个例子就是图1c所示的高数值孔径光纤，它只有一圈洞。连接芯层和外包层的小宽度石英桥将光子晶体光纤包层的有效折射率降低到1.3以下，其中下降水平取决于石英桥的厚度。若芯层的折射率等于纯二氧化硅的折射率(约1.45)，那么该光纤芯层和包层间的几何结构表现出的阶跃折射率优于在芯层和包层有掺杂的传统多模光纤。由于数值孔径依赖于阶跃折射率，因此这种光子晶体光纤具有高数值孔径的特性。直径为125，数值孔径大于0.7的纤维已经被制造出来了。
用锗或折射率变化的其它各种材料选择性地掺杂在纤芯或其他区域来影响光子晶体光纤的光学性能。制作了由三个向下掺杂区域和三个孔包围的高掺杂核心的三角芯光子晶体光纤的Hansen等人证实，高度非线性色散位移光纤是光子晶体光纤特性经改进后的一个很好的例子。这种光纤在很宽的波长范围内显示出完全可控的色散水平和斜率。通过掺杂光纤获得的另一个优势是对强紫外线照射的敏感度。这为制作基于光栅的光子晶体光纤器件，例如布拉格反射器以及用作压力和温度传感器的长周期光栅，开辟了道路。
带隙型光子晶体光纤
第二类光子晶体光纤利用光子带隙效应导光。1995年，Birkset等人首次提出带隙型光子晶体光纤通过光子带隙导光的，他认为光子晶体光纤中的气孔呈三角形晶格排列。为了获得带隙引导型光子晶体光纤，气孔栅格被设计成至少有一个完全的平面外光子带隙，其中禁止光在晶体平面中传播。图2显示了=0.8的蜂窝状光子带隙型光纤能带模态指数图。背景材料的平面外波矢量分量、孔大小、晶格形状和折射率决定了单个带隙的宽度和位置。光纤芯是通过引入一个缺陷来定义的，该缺陷支持在光子带隙中具有频率的模式。该缺陷的折射率低于周围包层的折射率。这是带隙型光子晶体光纤最有趣的特性之一，因为它打开了引导光进入空心核的独有的可能性。
在对PBG纤维的研究中，特别研究了两种纤维的几何形状。1998年，Knight 等人首次提出了空气-二氧化硅纤维中PBG制导的实验结果。他们观察到PBG在PCF中有很强的带隙，其空气孔位于蜂窝晶格中。这种晶格结构的纤维表现出较强的带，空气填充分数相对较小，因此比需要较大体积的三角形pbg纤维更容易制造。图3A和图3B分别显示了纤维的蜂窝状和三角形晶格几何图。与蜂窝光纤相比，三角形PBG具有更容易设计用于引导空心芯中光场的优点。尽管图3A中所示的蜂窝光纤是通过PBG效应工作的，但大部分光场仍在缺陷空气孔周围的二氧化硅中引导。PBG光纤的制作已经成熟到了一个水平，几家公司的9320321能够制造三角形的PBG光纤，这种光纤引导光，大部分光场局限在空心核内。
布拉格光纤
一种不同类型的带隙光纤是所谓的布拉格光纤，通过包层中圆柱形对称布拉格光栅的布拉格反射来引导光线。由于传统的固态硅光纤在中频红外范围内会显示出巨大的损耗，因此这种光纤已经被用于引导高功率二氧化碳激光器在中频红外波段的辐射。
传感器用光子晶体光纤
特别是光子晶体光纤的两个特点促进了它们在传感器中的应用。一种是在光纤中传播的光与位于空气孔中的很小体积的气体或液体之间获得长相互作用长度的可能性。二是光纤光学性能设计的自由度，包括导向芯的数量。本节简要地介绍了迄今为止被报导的光子晶体光纤在传感器的一些应用。
倏逝波传感
通过一个折射率导光型光子晶体光纤引导模式的建模证实了瞬逝场的一个重要部分可以穿透精心设计的光纤气孔。瞬逝场的强度和长相互作用长度使得折射率导光型光子晶体光纤成为倏逝波传感器的研究热点。Hoo等人通过将75厘米长的光子晶体光纤的一端插入到充满100%乙炔气体的压力室中来测量乙炔的吸收光谱。随后移走光纤并快速测量吸收光谱，以尽量减少气体的外扩散。本实验中使用的光纤对空气孔的光场穿透相对较弱，但光子晶体光纤提供的长相互作用长度有效地补偿了这一点。Jensen等人发现在少于1L样品体积内检测到Cy5标记DNA的存在。通过毛细管将样品填充到10厘米的部分光纤内就能测量出光纤的透射光谱。当样品含有标记的DNA时，透射光谱显示与Cy5分子吸收带对应的波长下降。图4显示了含被标记的Cy5分子的吸收光谱来源于所测量的透射光谱。
增强荧光生物传感
光子晶体光纤与传统的单模光纤相比，在传感器应用中的一个很好应用就是双包层光纤在双光子荧光的检测效率有所提高。用来激发发色团的光被引导至有缺陷的且具有三角形形状晶格的内芯中。空气孔外环明确有一个具有很高数值孔径的核心，它能有效地收集从生物分子中发射出来的荧光。
弯曲传感
在用叠拉法生产高折射率光子晶体光纤时，可以通过在晶格的适当位置用一根固体棒代替管。因此，制造多芯光纤并不比制造单芯光纤复杂。Blanchard等人证明了二维弯曲传感使用具有三个弱相互作用的单模导芯光子晶体光纤。光纤的变形导致在不同的芯层中传输的光束之间会产生相移。然后通过分析产生的远端场干涉图中的条纹来确定弯曲角度。
非线性特性
光学特性设计的自由度以及折射率引导型光子晶体光纤纤芯内光场的强约束给予了上述的强烈非线性效应。其中最深入的研究是超连续体的产生。一个短而强得脉冲产生一个宽范围的波长，可用于光学相干断层成像、光谱学和计量等领域。超连续谱能覆盖数百纳米以及多瓦特输出已被证明。
无休止的单模操作
如上所述，在某些光子晶体光纤中看到的无休止的单模制导有利于光谱学的应用，其中光能在很宽的波长范围内探测样品。无休止的单模制导的另一种表现形式是在单模运行的情况下可以获得的大的模域。光子晶体光纤的可伸缩性确保模式的数目由比决定而不是核心大小。如图1a所示，具有大模式区域的光子晶体光纤在传送单模大功率光束的同时只产生微小的非线性效应.
混合光子晶体光纤
光子晶体光纤的另一个优点是可以在光纤的气孔中用聚合物或高折射率流体之类的材料制造混合元件。Abramov等人通过将具有高度温度依赖性折射率的聚合物填充到光纤的空穴中，获得了长周期光栅的宽调谐范围。模式与包层模式的共振波长的变化是根据以下公式得到的：
这里的和分别是纤模芯的有效折射率和第i包层模的有效折射率，T是温度，是光栅的周期。由于聚合物折射率的温度依赖性，因此包层模式的折射率及其共振波长的变化与温度显著相关。对温度变化的灵敏度为74nm/100，优于光纤孔中无聚合物(3nm/100)和以传统固体光纤制成的液化石油气传感器所获得的变化。显然利用共振波长随温度变化的强灵敏度可以制成一种高灵敏度的光纤温度传感器。
原子导轨
通过在相邻空气孔中的导线上加上驱动电流产生磁场，可以引导原子通过光子晶体光纤。影响原子运动的单原子制导将为测量物理量的一系列高度敏感的传感器开路，其中潜在应用的例子是引力、旋转和磁场传感器。
PBG光纤传感器
文献中提到的大多数光子晶体光纤传感器应用都是建立在指数引导型光纤上。传感器应用中PBG光纤的一个显著优点是可以在填充气体或分子水溶液的空心芯中导光。在精心设计的PBG中，大部分模式场被导向样品体积中，从而提供了光和分子之间的强相互作用。一种基于PBG光纤的吸收测量装置可以提供几十厘米以上的强相互作用却只需要几升的样品体积。折射率引导型光子晶体光纤在引导光与空气孔分子之间也存在着明显的相互作用，但它是否仅仅是穿透空穴的消失场。随着商用PBG光纤的性能和质量的提高，基于PBG光纤的传感器数量有望在不久的将来增加。
结论
综上所述，我们描述了光子晶体光纤提供的一些改良的或新颖的光学特性，并总结了它们在传感器中的应用。空穴的分布和尺寸决定了光纤的光学特性，从而可以产生具有广泛吸引力的光纤，如无休止的单模制导、大模区、超大数值孔径、可控色散、光子带隙制导以及多芯光纤。介绍这些特性在传感器中的几个应用。光子晶体光纤的一个特点，这使得这些特别有趣的传感器应用是接近样品定位在空气孔和光通过光纤引导。折射率引导型光子晶体光纤中基于倏逝波传感的传感器已经实现，预计随着厂家技术的提高，基于光子带隙光纤的传感器将很快出现。
原文正文：
Photonic crystal fibers; fundamental properties and applications within sensors.
Summary
Since the first experimental demonstration of a Photonic Crystal Fiber (PCF) in 1996 by Knight et al. , the optical properties and the fabricati
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