基于材料填充型光子晶體光纖的新型光子器件的設(shè)計(jì)與特性研究.pdf

1、由于光子晶體光纖靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基質(zhì)材料選擇使得光子晶體光纖具有傳統(tǒng)光纖無法比擬的光學(xué)特性。材料填充是一種能夠進(jìn)一步提升光子晶體光纖后加工的技術(shù)。近年來，利用光子晶體光纖制作小型化和集成化的新型光子器件已成為光電子領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向，這種基于光子晶體光纖的新型光子器件有望在工業(yè)、國防及科研等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。本文基于有限元法和模式耦合理論設(shè)計(jì)了基于材料填充型光子晶體光纖的偏振濾波器、偏振分束器和折射率傳感器；利用自主搭建的Yb光纖啁

2、啾放大器和自主設(shè)計(jì)的真空充氣裝置，對(duì)一種基于氬氣填充的KAGOME光子晶體光纖的光譜展寬特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了有效的光譜展寬。主要內(nèi)容如下：
　　首先，設(shè)計(jì)了兩種基于軟玻璃材料的雙芯光子晶體光纖偏振分束器。第一種是基于碲玻璃材料窄帶雙芯光子晶體光纖偏振分束器，在兩個(gè)通訊窗口1.33μm和1.55μm處獲得了較高的消光比為-89.97 dB和-81.0 dB，以及優(yōu)于-10 dB的寬度分別為15.1 nm和13.0 nm的帶寬；

3、第二種是填充硫系玻璃的SF57基質(zhì)雙芯光子晶體光纖寬帶偏振分束器，通過在中心小孔中填充高折射率的硫系玻璃，增強(qiáng)雙芯之間的模式耦合特性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬帶偏振分束特性，獲得了消光比優(yōu)于-20 dB的x和y偏振帶寬分別為86 nm和60 nm的良好效果。
　　其次，設(shè)計(jì)了基于表面等離子共振效應(yīng)的單芯光子晶體光纖器件。方法是通過在設(shè)計(jì)的光子晶體光纖中填充金屬金或銀。利用等離子體缺陷模式和核心引導(dǎo)模式發(fā)生表面等離子體共振效應(yīng)設(shè)計(jì)成了光子晶體光纖

4、偏振濾波器。該濾波器在通訊窗口1.31μm和1.55μm處獲得較高的限制損耗為244.9 dB和292 dB以及較低的插入損耗為4.0 dB/m和4.6 dB/m。通過在金屬填充的光子晶體光纖中滲入不同折射率的分析物液體，發(fā)現(xiàn)共振頻帶隨著分析物折射率的改變而明顯改變，基于此原理設(shè)計(jì)成了高靈敏度的表面等離子體折射率傳感器。填充金或銀的表面等離子傳感器在折射率從1.40到1.42的范圍其靈敏度分別達(dá)到了7040 nm/RIU和7017 nm

5、/RIU。
　　再次，設(shè)計(jì)了基于表面等離子體效應(yīng)的雙芯光子晶體光纖器件。通過在雙芯光子晶體光纖的氣孔中選擇填充金屬絲或鍍金屬膜設(shè)計(jì)成了基于表面等離子體效應(yīng)的雙芯光子晶體光纖窄帶偏振分束器或?qū)拵穹质?。通過在光纖的遠(yuǎn)離纖芯的氣孔中填充金屬絲使得表面等離子體共振微弱地影響雙芯引導(dǎo)模式之間的耦合進(jìn)而設(shè)計(jì)成窄帶雙芯光子晶體光纖偏振分束器，它在1.33μm和1.55μm的獲得了較高的消光比為-58 dB和-60 dB、優(yōu)于-12 dB的

6、帶寬分別為54 nm和47 nm的窄帶分束效果。通過在雙芯光子晶體光纖的中心氣孔鍍金屬膜或填充橢圓金屬納米線使表面等離子體效應(yīng)對(duì)雙芯導(dǎo)模之間的耦合較為強(qiáng)烈，從而制成寬帶雙芯光子晶體光纖偏振分束器。
　　最后，實(shí)驗(yàn)研究了基于一種新型 KAGOME空芯光子晶體光纖的光譜展寬器。實(shí)驗(yàn)中采用自主搭建的Yb光纖啁啾放大器(F-PCA)和自主設(shè)計(jì)真空充氣裝置。研究過程中使用望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束技術(shù)將激光器的光束從3.0 mm擴(kuò)束到9.0 mm然后使用焦