【正文】 （或電平）表示這種關(guān)系。激光器光探測器3dB反射光纖端面可動斷S（1）圖 42 光纖邁克爾遜干涉儀圖中以一個3dB耦合器取代了分束器，光纖光程取代了空氣光程，而且以敏感光纖作為相位調(diào)制元件。為了克服受空氣環(huán)境條件影響所導(dǎo)致的空氣光程的變化，可考慮用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)。由式（41）和(42)可知，可動反射鏡每移動=長度，光探測器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，即變化一個周期。當(dāng)兩反射鏡到分束器間的返程差小于激光器的想干長度時，射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)由式（41）確定。其中一束射向固定反射鏡，然后反射回到分束器，被分束器透射的那一部分光由光探測器接收，被分束器反射的那部分光返回到激光器。 下面介紹邁克爾孫（Michlson）光纖干涉儀圖42是普通光學(xué)邁克爾遜干涉儀的原理圖。干涉場中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為 （41）式中，是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。例如，設(shè)有光振幅分別為和的兩個相干光束。敏感光纖完成相位調(diào)制任務(wù)，干涉儀完成相位光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。主機(jī)光信號調(diào)制光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖41 光子晶體光纖傳感器檢測系統(tǒng) 光信號調(diào)制 光纖相位傳感器要求有相應(yīng)的干涉儀來完成相位檢測過程。為此，我們以相位調(diào)制為例，介紹PCF智能傳感器的信號檢測系統(tǒng)。然而，無論是探測那種物理量，其工作原理無非都是用被探測的變化調(diào)制傳輸光廣波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。 圖33光子晶體光纖k波矢量和頻率的關(guān)系 圖34 光子晶體光纖的色散關(guān)系4 信號檢測、解碼及放大系統(tǒng) 信號檢測 光纖傳感器按照被測對象的不同，又可以分為光纖溫度傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。模擬過程中, 通過改變d 值的大小得到圖4, 當(dāng)= 0. 1,= 0. 2, = 0. 3, = 0. 4, = 0. 5, 可以看到隨著空氣孔的增大, 色散依次增大, 即損耗增大不利于PCF 的傳輸。通過改變包層空氣孔的大小也可以改變其傳輸特性, 這個主要通過PCF 的色散特性表現(xiàn)出第2 期梁蘭菊等: 光子晶體光纖傳輸特性的研究551來。圖33 數(shù)值模擬了k波矢量與頻率的變化關(guān)系, 橫坐標(biāo)為波矢量, 縱坐標(biāo)為頻率。 數(shù)值模擬與結(jié)果分析　PCF 模型及其纖芯傳播模式光子晶體光纖的模型如圖31 所示, 其基質(zhì)為二氧化硅, 材料折射率n= 1. 45, 空氣孔直徑d =0. 3, 相鄰兩空氣孔中心的間距為= 2. 3,= 0. 13決定單模輸出, 圖32 所示光子晶體光纖纖芯的傳播模式圖, 纖芯保持單模傳播, 通過傅里葉變換得到遠(yuǎn)場模式。 ——色散。 ——導(dǎo)模的模式折射率。它可以用公式(35) 來表示。我們只需要解其中一個方程, 求出本征值, 就可以算出色散系數(shù)，改變的方向, 重復(fù)上述步驟, 就可以得到光子晶體光纖傳播模式圖。 G , G′——倒格矢。 k ——波矢量。 c—— 光速。 H ——磁場。 理論和計算方法平面波展開法主要通過將電磁場在倒格矢空間以平面波疊加的形式展開, 并將麥克斯韋方程組化為一個本征方程, 求解本征值即可得到傳播光子的本征頻率和本征模態(tài), 從而獲得光子晶體光纖的傳播特性和色散特性。這些特點(diǎn)也使得光子晶體光纖成為好的傳輸材料, 通過改變PCF空芯的大小、排列、形狀和間距等參數(shù), 實(shí)現(xiàn)許多傳統(tǒng)光纖所沒有的性質(zhì)。 包層區(qū)氣孔的排列方式能夠極大地影響模式性。光子晶體光纖有很多奇特的性質(zhì)。如果在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中存在壓力以外的其他因素引起傳播脈沖相位波動， 則這些因素會對整個傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。光源函數(shù)發(fā)生器調(diào)制器解碼單 元輸出系 統(tǒng)耦合器導(dǎo)入光纖傳感器導(dǎo)入光纖傳感器系統(tǒng)L1 L2 L3傳感器S3 S2 S1D3D2D1 CR3R2R1A3A2A1信號處理單元 放大器濾波器計算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器圖24 PCF 壓力傳感器系統(tǒng)模型 對式（27） 進(jìn)行微分， PCF 壓力傳感器激光光源發(fā)出的光脈沖經(jīng)過敏感元件后其相位波動可表示為： 。圖中， （a） 為傳感器整個系統(tǒng)；（b） 為傳感器的敏感元件， 它由導(dǎo)入光纖L傳感元件L2 和導(dǎo)出光纖L3 組成；（c） 為PCF 壓力傳感器的信號探測系統(tǒng)， 它由若干探測信道組成，每個探測信道包括分束器、延遲板、分析儀和光電探測器； （d） 為信號處理單元，它主要由放大電路、濾波器、模/ 數(shù)（ A/ D） 轉(zhuǎn)換器及計算機(jī)系統(tǒng)組成。在外界壓力作用下， PCF中會產(chǎn)生應(yīng)力， 由于應(yīng)力作用， PCF 的長度、橫截面結(jié)構(gòu)及折射率分布將出現(xiàn)波動， 并引起相位延遲的波動， 可以在PCF 傳感器輸出端采用特殊的裝置檢測出這種改變， 并進(jìn)一步檢測出外界環(huán)境壓力的改變， 這就是PCF 壓力傳感器的基本原理。 1010 Pa, p 11 = 0. 113, p 12 = 0. 252, 則可根據(jù)式（23） 和式（26） 計算特定壓力作用下PCF 纖芯有效折射率的改變量。根據(jù)彈性力學(xué)理論可以證明C11 = C22 = C33 , C12 = C13 = C21 = C23 = C31= C32 , 則在外界壓力作用下PCF 中產(chǎn)生的應(yīng)變與靜壓力在PCF 中形成的應(yīng)力之間的關(guān)系如下： (25) 應(yīng)力作用下PCF 的光學(xué)特性會發(fā)生改變， 并導(dǎo)致PCF 纖芯有效折射率發(fā)生改變， 根據(jù)彈光理論， 這個改變量可表示如下： （26） 式中， n0 為纖芯未受壓力時的折射率； E 為楊氏模量； 為硅光纖泊松比； p 1p 12 均為PCF 彈光系數(shù)。εz ] , 其中εx 、εy 表示PCF 橫向應(yīng)變，εz 表示PCF 軸向應(yīng)變。 其中δx 、δy 分別表示x 和y 軸所受的橫向應(yīng)力，δz 表示PCF 軸向即z 方向受到的應(yīng)力； 正應(yīng)變量可表示為[ εxδy PCF 壓力傳感基本原理　　在PCF 壓力傳感器系統(tǒng)中，作為敏感元件，采用的是折射率引導(dǎo)型PCF, 其傳播的光脈沖限制在纖芯內(nèi)。在PCF 中,通過改變其包層結(jié)構(gòu)可制出高雙折射效應(yīng)的PCF, 只要破壞光子晶體光纖剖面的圓對稱性, 使其成為二維結(jié)構(gòu)就可以形成很強(qiáng)的雙折射. 實(shí)際中可通過減少一些空氣孔,或者改變一些空氣孔的尺寸來獲得高的雙折射特性。就光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特征來說，它對波導(dǎo)色散有較高的控制性. 只要改變孔徑與孔間距之比, 即可達(dá)到很大的波導(dǎo)色散，還可使光纖總色度色散達(dá)到所希望的分布狀態(tài), 例如零色散波長可以向短波大大推進(jìn), 具有優(yōu)性質(zhì)的色散平坦等等.。這有利于提高或降低光學(xué)非線性, 可用在低非線性通信用光纖, 高光功率傳輸?shù)确矫妗? 無論什么波長都能單模傳輸, 與傳統(tǒng)光纖隨著纖芯尺寸的增加會出現(xiàn)多?；奶匦员?。圖22 PCF 靈活設(shè)計的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其具有許多奇異的特性,這樣有效地擴(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時 ,其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播 ,光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸。圖21b． 光子帶隙型 PCF導(dǎo)光機(jī)理[5]理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)芯和空芯 PCF的傳導(dǎo)條件 ,即光子帶隙導(dǎo)光理論。a． 全內(nèi)反射型 PCF導(dǎo)光原理周期性缺陷的纖芯折射率 (石英玻璃 )大于周期性包層折射率 (空氣 ) ,從而使光能夠在纖芯中傳播,這種結(jié)構(gòu)的 PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射 , ,由于包層包含空氣 ,所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射 ,如圖 21所示。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得光子晶體光纖與常規(guī)光纖相比具有許多無可比擬的傳輸特性。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設(shè)計和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動的目的。能帶與能帶之間出現(xiàn)光子帶隙。因此，光子晶體就是折射率呈周期分布的光學(xué)介質(zhì)。在周期性勢場中，電子的波函數(shù)滿足薛定愕方程： (22)式中，為普朗克常數(shù)，為電子的能量，在周期性勢場中只能取本征值.可以看出，方程(21)與(22)的形式完全相似. 在周期性勢場中只能取本征值，因此，在周期性介電晶體中，也只能取某些特征值，光波的頻率也因此只能取某些本征頻率，從而出現(xiàn)了頻率禁帶，這種禁帶叫做光子禁帶或者光子帶隙[3]。 2 基本概念光