新型光子晶體光纖、光波導(dǎo)耦合器件的傳輸特性及應(yīng)用研究.pdf

1、本文提出幾種具有新型功能的雙芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值分析方法詳細(xì)研究了雙芯結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性，并將其應(yīng)用于模式轉(zhuǎn)換、定向耦合、偏振分束以及折射率傳感等器件的設(shè)計和研制方面。主要研究內(nèi)容如下:
　　 由于結(jié)構(gòu)特殊性，常規(guī)的1×3光分束器一般難于實現(xiàn)均勻出光，且工作帶寬窄。我們提出了一種1×3三芯光子晶體光纖定向耦合器，有效的實現(xiàn)能量在三個纖芯里均分。將三芯光子晶體光纖兩側(cè)纖芯包層空氣孔直徑增加，使得能量在兩側(cè)纖芯與中間纖芯之間發(fā)生

2、部分耦合，進(jìn)而實現(xiàn)能量在三個纖芯中均分。這種結(jié)構(gòu)制作簡單且允許有較大的制作容差。
　　 當(dāng)前提出的幾種光纖模式轉(zhuǎn)換器或工作帶寬窄或模式轉(zhuǎn)換效率低等缺點。我們采用半矢量光束傳播法設(shè)計了一種高效的寬帶模式轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了其中一個纖芯的基模(LP01)和另一個纖芯的高階模(LP02)之間的轉(zhuǎn)換，數(shù)值分析表明該結(jié)構(gòu)能在很寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)模式的高效轉(zhuǎn)換。同時，利用該雙芯光子晶體光纖結(jié)構(gòu)上的特點，提出一種偏振器的設(shè)計思路，即讓纖芯中不需要的

3、偏振模式耦合到另一個纖芯并輸出，于是原來纖芯中就只存在所需的偏振模式，進(jìn)而達(dá)到偏振控制的目的。
　　 實現(xiàn)偏振分束的常規(guī)方法有兩種:一種是讓兩偏振方向均實現(xiàn)完全耦合，且對應(yīng)耦合長度滿足一定的比值關(guān)系;另一種方法是讓其中一個偏振方向光不耦合，而另一個偏振方向的光完全耦合。通常，由這兩種方法實現(xiàn)的偏振分束器具有或消光比低或工作帶寬窄或輸出端模場嚴(yán)重變形等缺點?；谀Ｊ今詈显?，我們設(shè)計了一種矩形結(jié)構(gòu)雙芯光子晶體偏振分束結(jié)構(gòu)，使雙芯光

4、纖中其中一個偏振方向上能量發(fā)生完全耦合而另一個偏振方向上能量發(fā)生部分耦合，并讓能量發(fā)生完全耦合的偏振方向的耦合長度與另一個偏振方向（能量僅發(fā)生部分耦合）的耦合長度呈兩倍關(guān)系。這種基于能量部分耦合原理的設(shè)計思想允許比較容易地調(diào)節(jié)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)來達(dá)到偏振分束的目的，同時，輸出端纖芯模場形狀規(guī)則，因而與單模光纖連接損耗低。通過光束傳播法詳細(xì)分析了兩個偏振模式傳輸特性，并運用多極法對相關(guān)結(jié)論進(jìn)行驗證，兩種方法結(jié)果一致。
　　 對折射率較低

5、（低于光纖的背景材料折射率）物質(zhì)的折射率測量，其靈敏度一般都比較低。然而將雙芯光纖的耦合原理運用于對樣品溶液的折射率測量，進(jìn)而通過折射率的改變來分析該樣品的生物、化學(xué)方面特性的研究比較新穎。本文提出將多個空氣孔進(jìn)行選擇性填充形成一個微結(jié)構(gòu)芯，使之與另外一個實芯相位匹配，進(jìn)而發(fā)生能量耦合。當(dāng)選取適當(dāng)?shù)墓饫w參數(shù)后，從某一纖芯輸入一束光，則可以看到該纖芯的輸出端能量頻譜上會出現(xiàn)一個谷值，并且這個谷值隨著待測樣品折射率變化而出現(xiàn)紅移或藍(lán)移。因此

6、，通過這種波長移動量來測量折射率的變化。詳細(xì)分析了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對波長的移動量以及譜線的半寬度等參數(shù)的影響;同時分析了環(huán)境溫度以及光纖制作過程產(chǎn)生的誤差對該傳感器性能的影響。
　　 通過對光子晶體光纖中空氣孔填充液體、液晶、半導(dǎo)體或金屬等材料來改變光纖的光學(xué)性能，進(jìn)而實現(xiàn)一些可調(diào)諧的光學(xué)功能器件?；诮饘俳z產(chǎn)生的等離子模式，我們提出了填充金屬絲的雙芯光子晶體結(jié)構(gòu)，并成功用于模式偏振分束方面。數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)其耦合長度相比于未填充金屬絲

7、雙芯光纖結(jié)構(gòu)具有明顯不同，具體表現(xiàn)為，其耦合長度呈現(xiàn)極大值且兩偏振方向的耦合長度比值比較大。我們通過對雙芯光子晶體光纖某一個或兩個空氣孔選擇性填充金屬進(jìn)而改變光的傳輸、偏振等特性。數(shù)值模擬證明，這種選擇性填充器件能夠?qū)崿F(xiàn)具有寬帶、高消光比、輸出端模場不變形等優(yōu)點。
　　 SOI(SilicononInsulator)硅基波導(dǎo)因為高折射率差可以將光場限制在亞波長量級，表面等離子體光波導(dǎo)則是因為表面等離子體共振效應(yīng)，從而打破光學(xué)衍射