長(zhǎng)周期手征光柵及其在光纖傳感和光軌道角動(dòng)量調(diào)制中應(yīng)用的研究.pdf

1、手征光纖光柵是一種新型的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它是通過熔融條件下高速扭轉(zhuǎn)截面非圓對(duì)稱光纖制作而成的。該結(jié)構(gòu)沿縱向和角向都存在周期性的折射率調(diào)制，且結(jié)構(gòu)特性與其扭轉(zhuǎn)旋向相關(guān)，故被稱為手征光纖光柵。這種光柵因具有偏振選擇和波長(zhǎng)選擇的雙重特性，自2003年提出以來就備受關(guān)注。它在圓起偏、濾波、傳感（尤其是高溫和惡劣環(huán)境下的傳感）等方面均有重要應(yīng)用，目前正逐步商業(yè)化。
　　 本文對(duì)長(zhǎng)周期手征光柵的特性及應(yīng)用作了系統(tǒng)而深入的研究，主要包括建立了N螺

2、旋長(zhǎng)周期手征光柵統(tǒng)一的耦合模分析模型，給出模式耦合的相位和角向匹配條件;以實(shí)現(xiàn)手征光柵為目的，研究了特種光纖的雙折射特性;分析了單/雙螺旋長(zhǎng)周期手征光柵中模式的耦合特性，著重討論了模式耦合的模式選擇機(jī)制和偏振選擇特性;并分別研究了長(zhǎng)周期手征光柵在多參量傳感和光軌道角動(dòng)量調(diào)制中的應(yīng)用，取得了若干具有創(chuàng)新性的成果。本文的主要內(nèi)容總結(jié)如下:
　　 根據(jù)傳統(tǒng)耦合模理論，從圓偏振模出發(fā)，建立了分析截面具有N階旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的長(zhǎng)周期手征光柵的統(tǒng)一

3、理論模型，給出了模式耦合的相位匹配和角向匹配條件。為了解特種光纖特性對(duì)實(shí)現(xiàn)手征光柵的影響，分析了多應(yīng)力區(qū)光纖和截面幾何擾動(dòng)光纖等特種光纖的雙折射等特性。分析表明，當(dāng)應(yīng)力區(qū)沿包層角向均勻分布時(shí)，兩個(gè)應(yīng)力區(qū)在纖芯的雙折射是單個(gè)應(yīng)力區(qū)的兩倍;應(yīng)力區(qū)數(shù)目大于等于3個(gè)時(shí)，纖芯介電常數(shù)分布是均勻各向同性的。對(duì)幾何截面具有N階旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的光纖，給出了判斷模式是否存在雙折射的依據(jù);當(dāng)N≥3時(shí)，纖芯基模沒有雙折射，高階模式的一對(duì)奇偶?？赡艽嬖陔p折射。此外

4、，作為理論分析和模擬計(jì)算的基礎(chǔ)，給出了雙包層階躍光纖包層混合模HE/EH模式、TE/TM模式的本征方程、場(chǎng)分布和歸一化功率的詳細(xì)解析表達(dá)式。
　　 分析了單螺旋和雙螺旋長(zhǎng)周期手征光柵模式耦合的選擇特性。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)右手單、雙螺旋長(zhǎng)周期手征光柵，當(dāng)左、右旋的圓偏振芯層模與一對(duì)弱導(dǎo)近似下簡(jiǎn)并的包層模同時(shí)發(fā)生耦合時(shí)，光柵中沒有圓偏振選擇特性;而僅右旋或僅左旋的芯層模與特定的包層模發(fā)生耦合時(shí)，光柵具有左旋或右旋的圓偏振選擇特性。同時(shí)，以

5、橢圓芯光纖和熊貓光纖長(zhǎng)周期手征光柵為例，對(duì)幾何型和應(yīng)力型雙螺旋長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)中模式耦合情況進(jìn)行了詳細(xì)理論分析和數(shù)值模擬，并對(duì)二者的特性進(jìn)行了對(duì)比。另外，從模式的角向?qū)ΨQ性和手征光柵截面的離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性角度，給出了長(zhǎng)周期手征光柵模式耦合中偏振選擇的物理解釋。
　　 分別以偏芯單螺旋和橢圓芯雙螺旋長(zhǎng)周期手征光柵為例，分析了長(zhǎng)周期手征光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的傳感特性。分析中，分別考慮了基于石英以及聚合物兩種材料的結(jié)構(gòu)，并對(duì)比了它們的傳感靈敏度，

6、分析表明，由于聚合物材料相比石英材料具有更高的熱光系數(shù)和更小的楊氏模量，聚合物光柵的靈敏度優(yōu)于石英光柵。此外，基于橢圓芯長(zhǎng)周期手征光柵中左、右旋芯層模與一對(duì)簡(jiǎn)并的包層模的偏振選擇耦合特性，設(shè)計(jì)了一種新型的同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變的傳感方式。同時(shí)，詳細(xì)討論了偏芯長(zhǎng)周期手征光柵在多參量傳感中的應(yīng)用。并針對(duì)傳感應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于偏光雙折射材料且無需熔融條件的手征光柵制作方案。
　　 研究了長(zhǎng)周期手征光柵模式耦合的軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換規(guī)則，以及自

7、旋角動(dòng)量、軌道角動(dòng)量以及光柵的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)單螺旋長(zhǎng)周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動(dòng)量為±(h)和±3(h)的模式。對(duì)N(N≥2)螺旋長(zhǎng)周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動(dòng)量為±N殼和±(±N±2)(h)的模式。特別地，對(duì)雙螺旋長(zhǎng)周期手征光柵，可產(chǎn)生軌道角動(dòng)量±2(h)和±4(h)的模式。在此基礎(chǔ)上，基于右手螺旋橢圓芯長(zhǎng)周期手征光柵，設(shè)計(jì)了幾種軌道角動(dòng)量調(diào)制器件，包括在兩個(gè)波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量分別為+2(h)和+4(h)的調(diào)制器，以及軌道角