微結(jié)構(gòu)光纖模式控制機(jī)理和應(yīng)用研究.pdf

1、本論文結(jié)合了國(guó)家科技部973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及天津市自然科學(xué)基金等重點(diǎn)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，契合當(dāng)前光纖技術(shù)及光纖化器件向小型化、集成化、多功能化演進(jìn)的宏觀趨勢(shì)和客觀要求，以微結(jié)構(gòu)光纖為研究對(duì)象，針對(duì)微結(jié)構(gòu)光纖中光波的傳導(dǎo)特性和模式控制及相應(yīng)傳感應(yīng)用展開(kāi)了一系列深入、系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。光纖中諸多線性、非線性光學(xué)現(xiàn)象和特性的根源均與光纖中的模式有關(guān)，因此深入研究微結(jié)構(gòu)光纖中的模式特性及其控制機(jī)理和技術(shù)，對(duì)于闡釋各種現(xiàn)象的深層次

2、物理機(jī)理、挖掘光纖新特性和新應(yīng)用、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)等方面具有非常重要的意義。
　　論文首先概括敘述了不同類型微結(jié)構(gòu)光纖的發(fā)展歷程、特性、應(yīng)用，以及各種常用模式耦合和控制技術(shù)的原理和優(yōu)劣勢(shì)比較;接著論述了微結(jié)構(gòu)光纖的數(shù)值分析方法和各種模式控制技術(shù)的理論分析模型;然后按照光纖模式和傳導(dǎo)特性分析→模式激勵(lì)和控制實(shí)驗(yàn)→機(jī)理分析→應(yīng)用研究的思路分別對(duì)全固光子帶隙光纖、全固態(tài)波導(dǎo)陣列微結(jié)構(gòu)光纖、簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖、高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行

3、了理論和實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究工作及取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　1.在利用平面波展開(kāi)法和有限元法對(duì)全固光子帶隙光纖的模式特性和帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于全固光子帶隙光纖上集成非絕熱微錐和長(zhǎng)周期光柵的在線式M-Z干涉儀，理論和實(shí)驗(yàn)研究揭示了參與干涉的模式為纖芯基模和包層LP01超模，而且非絕熱微錐引起模式耦合的機(jī)理為光纖直徑急劇變化下帶隙的快速漂移;通過(guò)設(shè)計(jì)微錐和光柵的耦合效率，使得光柵的一個(gè)諧振峰在干涉光譜中得以

4、保留，利用光柵諧振峰和干涉峰對(duì)彎曲和溫度的響應(yīng)差異，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎曲和溫度的同時(shí)測(cè)量;利用干涉峰具有較高的溫度敏感性，制作成溫度傳感器，并研究了干涉各峰的溫度敏感度的差異性。
　　2.利用紫外曝光法在全固光子帶隙光纖上寫制出Bragg光柵，結(jié)合錯(cuò)位熔接實(shí)現(xiàn)了前向傳導(dǎo)的包層LP01超模與后向傳導(dǎo)的LP01超模之間的諧振耦合，并同時(shí)獲得纖芯基模與包層LP01超模的M-Z干涉，利用Bragg光柵諧振峰和干涉峰對(duì)溫度的響應(yīng)差異，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的

5、差異化傳感。
　　3.理論研究了一種新型全固態(tài)波導(dǎo)陣列微結(jié)構(gòu)光纖的模式特性以及該光纖與單模光纖熔接時(shí)各種模式的激勵(lì)效率;然后利用紫外曝光法在該光纖上寫制出Bragg光柵，觀察到多波長(zhǎng)諧振現(xiàn)象，利用模式激勵(lì)計(jì)算結(jié)果和相位匹配關(guān)系確定了各個(gè)諧振峰對(duì)應(yīng)的模式耦合關(guān)系;利用光柵諧振峰的波長(zhǎng)和幅值對(duì)軸向應(yīng)變和彎曲的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了軸向應(yīng)變和彎曲的同時(shí)測(cè)量。
　　4.通過(guò)對(duì)新型簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的模式和傳導(dǎo)特性的理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，論證

6、了該光纖以及同類的耦合抑制型微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)機(jī)理應(yīng)為反諧振波導(dǎo)模型和耦合抑制效應(yīng)的共同作用;然后利用有限元法對(duì)不同直徑下簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的約束損耗進(jìn)行了詳細(xì)分析，證明了通過(guò)增大纖芯直徑可以有效地降低該光纖的約束損耗，為該類光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)。
　　5.利用高頻CO2激光打標(biāo)技術(shù)成功在簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖上寫制出長(zhǎng)周期光柵，實(shí)現(xiàn)了纖芯基模與LP11模式的耦合，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和相關(guān)理論揭示了光柵的形成機(jī)理應(yīng)為局域性微

7、彎而非光纖截面的變形，并利用該光柵實(shí)現(xiàn)了溫度不敏感的軸向應(yīng)變傳感。
　　6.利用簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖與單模光纖的錯(cuò)位熔接，制作成在線式M-Z干涉儀。通過(guò)調(diào)節(jié)光纖之間的相對(duì)位置，在簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖中選擇性激發(fā)起強(qiáng)度相當(dāng)?shù)睦w芯基模和LP11模式，并抑制了其它模式的激勵(lì)，從而獲得干涉對(duì)比度高、條紋間隔均勻的干涉光譜。該干涉儀被制作成為一種溫度不敏感度的應(yīng)變傳感器。
　　7.理論研究了不同直徑下高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖的相雙折射和群雙折射