新型光子晶體光纖、光波導耦合器件的傳輸特性及應用研究.pdf

1、本文提出幾種具有新型功能的雙芯光子晶體光纖結構，通過數值分析方法詳細研究了雙芯結構的光學特性，并將其應用于模式轉換、定向耦合、偏振分束以及折射率傳感等器件的設計和研制方面。主要研究內容如下:
　　 由于結構特殊性，常規(guī)的1×3光分束器一般難于實現均勻出光，且工作帶寬窄。我們提出了一種1×3三芯光子晶體光纖定向耦合器，有效的實現能量在三個纖芯里均分。將三芯光子晶體光纖兩側纖芯包層空氣孔直徑增加，使得能量在兩側纖芯與中間纖芯之間發(fā)生

2、部分耦合，進而實現能量在三個纖芯中均分。這種結構制作簡單且允許有較大的制作容差。
　　 當前提出的幾種光纖模式轉換器或工作帶寬窄或模式轉換效率低等缺點。我們采用半矢量光束傳播法設計了一種高效的寬帶模式轉換器，實現了其中一個纖芯的基模(LP01)和另一個纖芯的高階模(LP02)之間的轉換，數值分析表明該結構能在很寬的波長范圍內實現模式的高效轉換。同時，利用該雙芯光子晶體光纖結構上的特點，提出一種偏振器的設計思路，即讓纖芯中不需要的

3、偏振模式耦合到另一個纖芯并輸出，于是原來纖芯中就只存在所需的偏振模式，進而達到偏振控制的目的。
　　 實現偏振分束的常規(guī)方法有兩種:一種是讓兩偏振方向均實現完全耦合，且對應耦合長度滿足一定的比值關系;另一種方法是讓其中一個偏振方向光不耦合，而另一個偏振方向的光完全耦合。通常，由這兩種方法實現的偏振分束器具有或消光比低或工作帶寬窄或輸出端模場嚴重變形等缺點。基于模式耦合原理，我們設計了一種矩形結構雙芯光子晶體偏振分束結構，使雙芯光

4、纖中其中一個偏振方向上能量發(fā)生完全耦合而另一個偏振方向上能量發(fā)生部分耦合，并讓能量發(fā)生完全耦合的偏振方向的耦合長度與另一個偏振方向（能量僅發(fā)生部分耦合）的耦合長度呈兩倍關系。這種基于能量部分耦合原理的設計思想允許比較容易地調節(jié)光纖結構參數來達到偏振分束的目的，同時，輸出端纖芯模場形狀規(guī)則，因而與單模光纖連接損耗低。通過光束傳播法詳細分析了兩個偏振模式傳輸特性，并運用多極法對相關結論進行驗證，兩種方法結果一致。
　　 對折射率較低

5、（低于光纖的背景材料折射率）物質的折射率測量，其靈敏度一般都比較低。然而將雙芯光纖的耦合原理運用于對樣品溶液的折射率測量，進而通過折射率的改變來分析該樣品的生物、化學方面特性的研究比較新穎。本文提出將多個空氣孔進行選擇性填充形成一個微結構芯，使之與另外一個實芯相位匹配，進而發(fā)生能量耦合。當選取適當的光纖參數后，從某一纖芯輸入一束光，則可以看到該纖芯的輸出端能量頻譜上會出現一個谷值，并且這個谷值隨著待測樣品折射率變化而出現紅移或藍移。因此

6、，通過這種波長移動量來測量折射率的變化。詳細分析了光纖結構參數對波長的移動量以及譜線的半寬度等參數的影響;同時分析了環(huán)境溫度以及光纖制作過程產生的誤差對該傳感器性能的影響。
　　 通過對光子晶體光纖中空氣孔填充液體、液晶、半導體或金屬等材料來改變光纖的光學性能，進而實現一些可調諧的光學功能器件。基于金屬絲產生的等離子模式，我們提出了填充金屬絲的雙芯光子晶體結構，并成功用于模式偏振分束方面。數值分析發(fā)現其耦合長度相比于未填充金屬絲

7、雙芯光纖結構具有明顯不同，具體表現為，其耦合長度呈現極大值且兩偏振方向的耦合長度比值比較大。我們通過對雙芯光子晶體光纖某一個或兩個空氣孔選擇性填充金屬進而改變光的傳輸、偏振等特性。數值模擬證明，這種選擇性填充器件能夠實現具有寬帶、高消光比、輸出端模場不變形等優(yōu)點。
　　 SOI(SilicononInsulator)硅基波導因為高折射率差可以將光場限制在亞波長量級，表面等離子體光波導則是因為表面等離子體共振效應，從而打破光學衍射