嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光子晶體光纖又稱為微結(jié)構(gòu)光纖，由于其制作方法多樣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，具有特殊光學(xué)性質(zhì)，是目前研究的最為廣泛的一種光纖。由于微結(jié)構(gòu)光纖的包層中有許多空氣孔，通過改變其包層空氣孔排布，尤其是纖芯周圍空氣孔的結(jié)構(gòu)，或?qū)Π鼘又心承┛諝膺M(jìn)行填充可以改變光纖固有的性質(zhì)，制成具有特殊功能和結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)光纖。
　　本文設(shè)計(jì)并制作了幾種不同結(jié)構(gòu)的嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖：設(shè)計(jì)并通過理論分析了不同包層排布和芯區(qū)結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖，對(duì)光纖性質(zhì)進(jìn)行分析；通過外部條件

2、的改變對(duì)嵌入式液晶光子晶體光纖的性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)；提出了一種新型測(cè)試疏水微結(jié)構(gòu)聚合物材料光纖靈敏度的方法，通過實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)該種微結(jié)構(gòu)聚合物光纖的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試和分析。
　　本文主要的研究內(nèi)容包括：
　　1.基于有限元方法，開展了對(duì)特殊包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的分析。設(shè)計(jì)了兩種具有特殊結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖。第一種是具有高非線性特性的圓環(huán)包層光子晶體光纖；第二種是一種包層為方形排布的光子晶體光纖，其同時(shí)具有高雙折射特性和色散平坦特性。

3、r>　　2.開展了對(duì)嵌入式光子晶體光纖的建模和理論分析。設(shè)計(jì)了一種嵌入式光子晶體光纖模式轉(zhuǎn)換器，在纖芯區(qū)嵌入高折射率的纖芯制成模式轉(zhuǎn)換器并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了不同波長下模式轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；通過理論仿真和計(jì)算，對(duì)不同結(jié)構(gòu)下液晶光子晶體光纖單模的傳輸特性進(jìn)行了計(jì)算；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種六液晶芯分束器。
　　3.開展了對(duì)液晶填充光子晶體光纖的研究。重點(diǎn)研究了加熱區(qū)域和不同填充比例對(duì)輸出光場(chǎng)和光纖帶隙的影響，并通過調(diào)節(jié)外界溫度來

4、改變液晶折射率，進(jìn)而調(diào)整光纖輸出光場(chǎng)。通過改變外部的溫度，對(duì)液晶的折射率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變液晶光子晶體光纖光出射的位置、出射光強(qiáng)弱和出射光譜，并分析了加熱區(qū)域的不同對(duì)液晶光子晶體光纖光學(xué)性質(zhì)的影響；設(shè)計(jì)并制作了不同填充比例的液晶光子晶體光纖。利用液晶的折射率隨溫度和波長變化的特性，分別將液晶填充到光子晶體光纖的包層中全部、一半和四分之一的空氣孔中。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析了不同填充比例的液晶光子晶體光纖帶隙的分布，觀察了不同溫度下帶隙分布的改

5、變，出射光譜隨溫度的移動(dòng)和出射光場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度的變化。
　　4.提出了一種測(cè)試疏水材料聚甲基丙烯酸甲酯 polymethylmethacrylate(PMMA)和聚碳酸酯(Polycarbonate PC)制成的微結(jié)構(gòu)光纖生物傳感器敏感性的方法。通過該方法不僅可以將折射率接近于水液體注入到疏水材料中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體的非接觸式泵入，在此過程中聚合物光纖的位置不發(fā)生改變，可以在同一根光纖中實(shí)現(xiàn)對(duì)多種樣本進(jìn)行測(cè)試，最大限度地減小外界環(huán)境因

6、素和光纖本身對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)得到該種光纖生物傳感器的靈敏度，并和仿真結(jié)果相吻合。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.設(shè)計(jì)了具有高非線性的圓環(huán)包層光子晶體光纖，相比于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圓環(huán)包層光子晶體光纖，其非線性系數(shù)顯著提高，色散零點(diǎn)也向短波方向移動(dòng)；通過改變纖芯區(qū)域的空氣孔排布，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)具有色散平坦和高雙折射特性的方形排布光子晶體光纖。
　　2.設(shè)計(jì)了嵌入式光子晶體光纖模式轉(zhuǎn)換器，通過仿真優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并