嵌入式微結(jié)構(gòu)光纖理論分析和實驗研究.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)計靈活，具有特殊光學性質(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，對光纖性質(zhì)進行分析；通過外部條件

2、的改變對嵌入式液晶光子晶體光纖的性質(zhì)進行調(diào)節(jié)；提出了一種新型測試疏水微結(jié)構(gòu)聚合物材料光纖靈敏度的方法，通過實驗和仿真對該種微結(jié)構(gòu)聚合物光纖的性質(zhì)進行了測試和分析。
　　本文主要的研究內(nèi)容包括：
　　1.基于有限元方法，開展了對特殊包層結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的分析。設(shè)計了兩種具有特殊結(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，其同時具有高雙折射特性和色散平坦特性。

3、r>　　2.開展了對嵌入式光子晶體光纖的建模和理論分析。設(shè)計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)換器并對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，得到了不同波長下模式轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；通過理論仿真和計算，對不同結(jié)構(gòu)下液晶光子晶體光纖單模的傳輸特性進行了計算；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種六液晶芯分束器。
　　3.開展了對液晶填充光子晶體光纖的研究。重點研究了加熱區(qū)域和不同填充比例對輸出光場和光纖帶隙的影響，并通過調(diào)節(jié)外界溫度來

4、改變液晶折射率，進而調(diào)整光纖輸出光場。通過改變外部的溫度，對液晶的折射率進行調(diào)節(jié)，進而改變液晶光子晶體光纖光出射的位置、出射光強弱和出射光譜，并分析了加熱區(qū)域的不同對液晶光子晶體光纖光學性質(zhì)的影響；設(shè)計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。通過實驗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和出射光場強度隨溫度的變化。
　　4.提出了一種測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，同時實現(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現(xiàn)對多種樣本進行測試，最大限度地減小外界環(huán)境因

6、素和光纖本身對實驗結(jié)果的影響。通過實驗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。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下：
　　1.設(shè)計了具有高非線性的圓環(huán)包層光子晶體光纖，相比于標準結(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，色散零點也向短波方向移動；通過改變纖芯區(qū)域的空氣孔排布，設(shè)計了一種同時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)計并