[发明专利]一种新型结构的掺杂液晶光子晶体光纤传感模型

说明书

(一)技术领域

本发明涉及光子晶体光纤传感领域，特别是一种新型结构的掺杂液晶光子晶体光纤传感模型。

(二)背景技术

光子晶体光纤(PCF)的概念首先由ST.J.R.Russle et al提出，又称多孔光纤或微结构光纤，包层由沿轴向周期性排布在基质中的空气孔组成，而纤芯由一个破坏了包层周期性结构的缺陷构成，根据缺陷的不同可以把光子晶体光纤分为空心光子晶体光纤和实心光子晶体光纤两种，其导光原理不同。通过改变光子晶体光纤空气孔的半径、孔间距等几何参数可以灵活的改变光子晶体光纤的传输特性。

由于光子晶体光纤一旦制作完成就无法再改变其传输特性，而实际应用中需要根据要求来调整光纤的传输特性。所以有必要研究一种不用改变光子晶体光纤的结构就可以改变其传输特性的光子晶体光纤波导。

由于液晶分子的几何形状和排列方式，使它成为很好的光学各向异性材料，而且液晶分子的排列方式对外界环境变化(如温度、电场、磁场等)非常敏感。如向列相液晶的分子取向会随温度或电(磁场)的变化而发生改变，液晶材料的折射率也随之变化。液晶材料的这种优异的调制特性使它得到了广泛的应用。将液晶填充到光子晶体光纤中，通过调节外部电场、温度等，可以对光子晶体光纤的传输特性进行调制。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种新型结构的掺杂液晶光子晶体光纤传感模型，该传感模型充分利用向列液晶P0616A的各向异性和对外界温度的敏感特性，将其与光子晶体光纤的优势结合起来，采用拥有大占空比的正六边形结构作为包层空气孔结构，通过向光子晶体光纤空气孔中填充向列液晶，实现液晶填充光子晶体光纤温度传感特性。

本发明的技术方案：

一种新型结构的掺杂液晶光子晶体光纤传感模型，截面为正六边形，包括纤芯和包层，采用硅作基底材料，纤芯为实心正六边形结构，包层由基底和沿轴向呈三角形周期性排列的截面为正六边形的空气孔构成，空气孔中的掺杂填充物为向列型液晶P0616A。

所述硅基底材料的折射率为1.6。

所述纤芯和包层空气孔为截面相同的正六边形结构，正六边形截面的内切圆直径为4um，孔间距为4.8um。

所述向列液晶P0616A在20℃、589nm波段的寻常光和非寻常光折射率分别为1.522和1.721。

本发明的优点是：

1)采用大占空比的正六边形结构作为包层空气孔，这样的结构可以最大限度的将折射率的变化放大，影响光纤的模场特性；

2)向光子晶体光纤空气孔中填充向列液晶P0616A，将光子晶体光纤的导光机制由全内反射转变为光子禁带效应(PBG)，由于液晶材料对外界温度十分敏感，温度改变直接影响液晶材料的折射率，进而改变光子晶体光纤的传输特性，通过测量输出光谱，可以直接获取温度信息，这也是掺杂液晶光子晶体光纤用于温度传感器的理论基础。

(四)附图说明

图1为该掺杂液晶光子晶体光纤传感模型的横断面结构示意图。

图中：1.纤芯  2.包层  3.空气孔

图2为基模有效折射率随温度变化曲线图。

图3为有效模场面积随温度变化曲线图。

图4为在不同占空比下基模有效折射率随温度变化曲线图。

(五)具体实施方式

通过以下实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步。但本发明决非仅局限于实施例。

实施例：

一种新型结构的掺杂液晶光子晶体光纤传感模型，如图1所示，截面为正六边形，包括纤芯1和包层2，采用折射率为1.6的硅作基底材料，纤芯1为实心正六边形结构，包层2由基底和沿轴向呈三角形周期性排列的截面为正六边形的空气孔3构成，纤芯和包层空气孔为截面相同的正六边形结构，正六边形截面的内切圆直径为4um，孔间距为4.8um，空气孔中的掺杂填充物为向列型液晶P0616A，向列液晶P0616A在20℃、589nm波段的寻常光和非寻常光折射率分别为1.522和1.721。采用正六边形结构作为包层空气孔，可以获得较传统圆形空气孔更大的空气填充率，从而获得更强的调制范围。

用COMSOL模拟软件模拟掺入向列液晶P0616A后光纤的基模有效折射率随温度变化的曲线如图2所示，从图中可以看出：随着温度的增加，液晶的折射率不断地增大，这导致纤芯中基模的有效折射率也不断的增大。

图3是有效模场面积随温度变化曲线图，从图中我们看出：有效模场面积随温度增加而增加。在325K时，我们可以认为有效模场面积发生了突变，即模式的传输已经不在纤芯内，泄漏到包层中。

通过COMSOL软件可以模拟出光子晶体光纤的基模有效折射率随温度变化的特性以及占空比对温度特性的影响。为了验证占空比对模场温度特性的影响，我们用软件模拟出不同占空比下基模有效折射率随温度变化的曲线图，如图4所示，我们给出占空比分别为0.8、0.7、0.6。从图中可以明显看出：占空比越大，基模有效折射率随温度变化越明显，温度对基模有效折射率的调制越明显，在传感器方面，其性能就对温度越敏感。这也是本发明采用大占空比正六边形结构的研究目的。