低損耗太赫茲光纖及其功能器件的研究.pdf

1、太赫茲(THz)科學(xué)技術(shù)是目前發(fā)展極其迅速的前沿學(xué)科之一，由于THz波處于特殊的光譜位置，具有獨(dú)特的光學(xué)特性，從而使其在光譜分析、生物成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及軍事安全等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用潛力。THz科學(xué)技術(shù)發(fā)展至今不到20年，很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，特別是THz波導(dǎo)技術(shù)尚不夠成熟，國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步也較晚，因此，我們嘗試去探索新型的低損耗THz波導(dǎo)器件，以及在低損耗波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)一些THz無(wú)源功能器件。
　　 本文首先闡述

2、了THz光纖的發(fā)展歷程和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及全矢量有限元法、平面波展開法和光束傳播法三種數(shù)值計(jì)算方法；接著對(duì)亞波長(zhǎng)塑料聚合物光纖的傳導(dǎo)機(jī)制、基本傳輸特性以及在液體傳感中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；討論了THz多孔光纖的傳輸特性，從理論上分析了由現(xiàn)有多孔光纖拉制技術(shù)造成的空氣孔隨機(jī)變化對(duì)傳導(dǎo)性能的影響；基于THz空芯光子帶隙光纖設(shè)計(jì)了THz高雙折射光纖和雙芯光纖定向耦合器功能器件。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 1、研究了THz亞波長(zhǎng)塑料聚合物光纖

3、的傳導(dǎo)特性。分析了THz亞波長(zhǎng)塑料聚合光纖纖芯半徑和包層折射率對(duì)光纖傳導(dǎo)特性的影響，對(duì)導(dǎo)模能量分布、群速度色散、材料吸收損耗進(jìn)行了研究。
　　 2、對(duì)利用THz亞波長(zhǎng)電介質(zhì)光纖進(jìn)行傳感探測(cè)進(jìn)行了理論分析。首先分析了等效折射率模型在解釋已報(bào)道傳感實(shí)驗(yàn)中的局限性，提出了雙包層結(jié)構(gòu)理論模型，利用雙包層模型詮釋了極值波長(zhǎng)的移動(dòng)方向。
　　 3、對(duì)隨機(jī)THz多孔光纖的傳導(dǎo)特性進(jìn)行了理論分析。討論了利用堆積法和減法技術(shù)拉制的多孔光纖

4、會(huì)造成空氣孔的隨機(jī)分布，建立了隨機(jī)多孔光纖理論模型，研究了纖芯中空氣孔位置和大小的隨機(jī)性對(duì)光纖傳導(dǎo)特性的影響，分析了隨機(jī)光纖對(duì)THz波的局域能力、導(dǎo)模能量分布、材料吸收損耗、群速度色散等傳輸特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣孔位置的隨機(jī)對(duì)光纖傳輸性能影響較大，大小的隨機(jī)影響較小。
　　 4、設(shè)計(jì)了一種新型THz光子帶隙高雙折射光纖。首先對(duì)三角形晶格空氣孔包層的光子能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)之上研究了光纖的雙折射特性、能量分布、損耗特性。

5、并與已報(bào)道的THz雙折射光纖進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種光纖傳輸損耗很小，損耗系數(shù)小于0.009cm-1，而且可以實(shí)現(xiàn)較高的雙折射特性，相雙折射處于10-3數(shù)量級(jí)，群雙折射處于10-2數(shù)量級(jí)。
　　 5、設(shè)計(jì)了一種新型的THz雙空芯光子帶隙光纖定向耦合器。研究了三角晶格空氣孔包層的光子能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)雙空芯光子帶隙光纖的傳導(dǎo)模式和耦合特性進(jìn)行了理論分析，研究了雙芯光纖耦合器的能量分布、損耗特性、群速度色散等傳導(dǎo)特性，結(jié)果表明這種耦合器可