基于特种空芯光子晶体光纤的光纤光栅理论及相应器件研究

光纤光栅以其体积小、全光纤化、可用于恶劣环境等突出优点在光纤通信与传感领域获得了重要应用，而空芯光子晶体光纤由于具有低色散、低非线性、低弯曲损耗、可传输超强激光，以及光纤空芯可成为液体或气体通道等优点成为了近几年国内外光纤研究的热点之一。目前国内外学者能在实芯光子晶体光纤上制作长周期光纤光栅，而如何在空芯光子晶体光纤上制作光纤光栅及器件却研究较少。本项目首次提出一种在光纤内包层掺锗的新型空芯光子晶体光纤，再利用成熟的紫外脉冲写入技术在这种光纤上制作布拉格和长周期光纤光栅，项目将详细研究这种光栅的成栅机理、传输理论、以及相应器件的基础应用。通过该项目的实施可望在新型光栅结构、光栅传输特性以及相应器件研究方面取得系列进展，从而制作出一些能在光纤通信或传感领域应用的新器件，因此该项目的研究具有重要的学术意义和广阔的应用前景。

本项目旨在利用光子带隙型空芯PCF的带隙理论和可灵活设计其包层结构的优点，设计出特种掺杂的空芯PCF，再利用该PCF进行相应的光栅理论分析及器件研究，尝试为光纤通信和传感领域提供一系列新的器件。. 空芯PCF是利用光子带隙效应对频率处于带隙内的光波实现导波传输的，因而光子带隙效应将决定空气纤芯中的波导传输特性。我们利用光子带隙型空芯PCF可以根据实际需要灵活设计其包层结构的特点，完成了特种光子带隙型空芯PCF的优化设计。基于该特种PCF，我们制作了一种新型光子晶体光纤F-P干涉温度传感器。该全光纤传感器结构稳定、线性度好，将为后续光栅型干涉仪的设计及制作提供重要的支撑作用。. 为了在特种掺杂空芯PCF上写制LPFG，首先需要解决PCF与普通光纤的熔接问题。我们提出在PCF空气孔中泵入氮气N2，通过调节氮气的压力控制空气孔的塌陷比，实现PCF（包括实、空芯）与普通光纤间的低损耗熔接，该方法为基于特种空芯PCF上写制LPFG、FBG奠下了坚实基础。利用空芯PCF HC-1500-02写制LPFG，高频率、短CO2激光脉冲光束横向、反复对PCF的一侧进行扫描，导致局部高温，引起表面消蚀，改变包层空气孔的形状、大小、位置，甚至引起一些包层空气孔的完全塌陷，从而在光纤表面产生刻痕。这是由于为了实现谐振模式耦合需要在光纤轴上引入周期性扰动：压力松弛引起玻璃材料折射率的扰动，以及空气孔大小、形状、位置变化引起波导结构的扰动。. 按照上述PCF形成LPFG的机理及其制作方法，我们通过设计并制作两种结构将LPFG由传统的透射式带阻器件分别转换为透射式与反射式带通器件，并将其分别作为可调谐带通滤波器和遥测系统的传感器，初步验证了PCF及相应特种光纤制作LPFG在光纤通信与传感领域的应用价值。. 相关研究成果我们已形成7篇学术论文分别发表在《Optics Express》、《IEEE Journal of Quantum Electronics》、《Journal of Lightwave Technology》等境外SCI核心期刊上，其中包括3篇JCR 2区论文。同时申请发明专利一项（专利申请号：201110210601.1）。该课题的研究为基于光子晶体光纤的理论与器件增添了新的内容，具有较大的学术价值。