基于耦合理论的微结构光纤及其应用研究

发布时间：2017-10-26 17:16

  本文关键词：基于耦合理论的微结构光纤及其应用研究

  更多相关文章： 微结构光纤 宽带偏振分束器 低损耗柔性THz光纤 伪色彩THz成像

【摘要】：微结构光纤以其独特的特性和灵活的结构设计自由度,受到国内外科研人员的广泛关注,是目前特种光纤领域的研究热点。随着微结构光纤制作技术的不断完善,各种新型微结构光纤的研制速度加快,也为开展微结构光纤的应用研究提供了很好的机遇。本学位论文是在国家自然科学基金面上项目“系列超宽带双芯光子晶体光纤以及相关器件的研究”、北京交通大学优秀博士生创新基金和澳洲科学委员会项目的共同资助下,结合目前超高速大容量光网络及太赫兹(Terahertz,THz)技术的发展需求,从制作及应用可行性角度出发,开展了超宽带微结构双芯光纤偏振分束器和低损耗柔性THz微结构光纤的理论与实验研究工作,并基于所研制的THz光纤,开展了THz成像技术研究。取得的主要创新成果如下：1. 提出了一种超宽带微结构双芯光纤偏振分束器。利用掺氟芯降低耦合长度对波长的敏感性,在微结构双芯光纤中引入两个掺氟芯和一个椭圆空气孔;以中心椭圆孔作调制芯,利用几何双折射增大两偏振态耦合长度的差异,并控制两个掺氟芯光场之间的耦合,实现了超宽带偏振分束功能。通过结构和材料参数优化,可实现波长从1.23/μm到1.63μm高达400nm的工作带宽,范围覆盖了O, E, S, L和U通信波段,在1.55μm波长处,消光比达到-35dB。由于只有一个椭圆孔,比现有的全椭圆空气孔结构和矩形晶格排布结构更加容易实现。此外,双芯间隔17.3/μm,大于单模光纤的纤芯直径,便于同单模光纤和保偏光纤进行接续,且纤芯模场与单模光纤的模场匹配度高,接续损耗仅为0.38dB,与现有光纤系统具有良好的兼容性。2. 提出了一种改进型超宽带微结构双芯光纤偏振分束器结构,以小空气孔线阵构成的微芯代替中心椭圆空气孔,降低了制作难度。该偏振分束器可以实现300nm的工作带宽,模场面积同单模光纤更加匹配,与单模光纤的接续损耗仅为0.04dB。实验中采用二次拉丝法成功拉制出一种微芯含有三个小空气孔的双芯微结构光纤,验证了微芯结构的制作可行性。3.提出并研制出一种基于Zeonex材料的管状包层结构的空芯THz光纤,有效地降低了光纤损耗,提高了光纤柔性。控制毛细管管壁厚度,可调整THz光纤的传输窗口。包层毛细管管壁厚度为92μm时,在0.1-1.5THz范围内实现了一个从0.6-1.45THz超宽传输窗口,最低损耗低于0.1dB/m。包层管壁厚度为378μm时,在0.1-1THz的范围内有三个低损耗传输窗口,损耗均小于5dB/m,其中两个高频窗口的损耗仅为1dB/m。该光纤可实现弯曲半径为12.7cm的弯曲,是目前柔性最好的THz光纤。4.提出了一种伪色彩THz成像方法。使用三个不同频率区间的积分代表RGB三基色,通过一次成像即可获得样品的彩色THz图像。解决了灰度成像需要进行频率扫描,成像速度慢的问题,并提高了THz图像辨识度及检测速度。成像系统的空间分辨率可以达到0.4mm,足以满足快速安检的应用需求。5. 首次实现了可移动的THz成像。将自制的包层毛细管管壁厚度为378μm的低损耗柔性THz光纤作为光纤探头应用到THz成像系统中,实现了可移动成像,打破了传统THz成像系统的空间限制。同时,应用伪色彩成像原理,将光纤的三个传输窗口定义为RGB三基色的频率积分区间,构成伪色彩THz成像系统。利用成像系统对样品进行伪色彩成像,THz图像中可通过颜色清晰地区分出背景、塑料容器和容器内的两种白色粉末,研究成果对扩展THz成像技术的应用范围具有重要意义。
【关键词】：微结构光纤 宽带偏振分束器 低损耗柔性THz光纤 伪色彩THz成像
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-31
• 1.1 微结构光纤概述14-19
• 1.1.1 微结构光纤的分类15-16
• 1.1.2 微结构光纤的发展与应用16-19
• 1.2 基于微结构光纤的光纤偏振分束器19-23
• 1.2.1 微结构双芯光纤偏振分束器的发展与现状20-22
• 1.2.2 基于微结构光纤的偏振分束器存在的问题22-23
• 1.3 微结构THz波导的研究进展23-28
• 1.3.1 金属结构THz波导23-24
• 1.3.2 实芯聚合物微结构THz光纤24-25
• 1.3.3 空芯聚合物微结构THz光纤25-28
• 1.4 本文的主要工作28-31
• 2 超宽带微结构双芯光纤及偏振分束器的研究31-65
• 2.1 引言31-33
• 2.2 平行对称双芯光纤中的模式耦合理论33-43
• 2.2.1 耦合模方程33-35
• 2.2.2 耦合模方程的解35-38
• 2.2.3 对称双芯光纤的模式耦合特性38-41
• 2.2.4 双芯光纤的偏振分束器原理41-43
• 2.3 超宽带微结构双芯光纤偏振分束器43-56
• 2.3.1 微结构双芯光纤的结构设计44-46
• 2.3.2 光纤结构参数对光纤耦合特性的影响46-51
• 2.3.3 最优化结构设计与分束器性能51-53
• 2.3.4 结构容差分析53-56
• 2.4 基于改进型微结构双芯光纤的偏振分束器56-62
• 2.4.1 结构改进与性能的变化56-59
• 2.4.2 微芯结构的制作容差分析59-61
• 2.4.3 微芯结构双芯光纤的制作探索61-62
• 2.5 本章小结62-65
• 3 低损耗柔性THz微结构光纤65-95
• 3.1 引言65-66
• 3.2 管状包层结构的THz光纤66-77
• 3.2.1 限制耦合导光机理67-68
• 3.2.2 低损耗Zeonex材料的光学特性68-71
• 3.2.3 管状包层结构空THz光纤的结构与特性71-74
• 3.2.4 管状包层厚度对光纤性能的影响74-75
• 3.2.5 管状包层管数对光纤性能的影响75-77
• 3.3 低损耗柔性THz光纤设计与性能分析77-81
• 3.3.1 低损耗柔性THz光纤的结构设计与性能分析77-79
• 3.3.2 光纤的弯曲特性研究79-81
• 3.4 低损耗柔性THz光纤的制作与性能测试81-86
• 3.4.1 低损耗柔性THz光纤制作82-83
• 3.4.2 低损耗柔性THz光纤的传输谱线和色散测试83-85
• 3.4.3 低损耗柔性THz光纤的损耗测量85-86
• 3.5 新型超材料包层THz光纤的实验研究86-93
• 3.5.1 超材料的制作87-89
• 3.5.2 超材料包层THz光纤的结构与制作89-90
• 3.5.3 超材料包层THz光纤的性能测试90-92
• 3.5.4 实验结果讨论92-93
• 3.6 本章小结93-95
• 4 柔性THz微结构光纤在伪色彩THz成像系统中的应用95-115
• 4.1 引言95-96
• 4.2 伪色彩THz成像系统96-104
• 4.2.1 THz-TDS系统及THz成像原理96-98
• 4.2.2 伪色彩THz成像的实现方法98-100
• 4.2.3 成像实验及成像效果100-103
• 4.2.4 成像系统的空间分辨率103-104
• 4.3 柔性THz光纤在成像系统中的应用104-113
• 4.3.1 反射式THz-TDS系统的结构设计105-106
• 4.3.2 柔性THz光纤透射谱与色彩区间定义106-107
• 4.3.3 移动成像实验及成像效果107-109
• 4.3.4 基于柔性THz光纤的伪色彩成像系统分辨率研究109-113
• 4.4 本章小结113-115
• 5 结束语115-117
• 5.1 本论文的研究成果总结115-116
• 5.2 下一步拟开展的工作116-117
• 参考文献117-127
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果127-131
• 学位论文数据集131

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李冬冬;佘江波;王丽莉;彭波;;微结构光纤生化传感器研究进展[J];西安邮电大学学报;2013年03期

2 傅恩生;微结构光纤[J];激光与光电子学进展;2003年03期

3 崇英哲,任晓敏;微结构光纤—新型光通信媒质[J];光通信研究;2004年02期

4 胡明列,王清月,栗岩锋,王专,倪晓昌,柴路,张志刚,章若冰,侯蓝田,李曙光,周桂耀;非均匀微结构光纤中超连续光的产生和传输[J];中国激光;2004年05期

5 胡明列,王清月,栗岩锋;微结构光纤的有限元分析计算法[J];中国激光;2004年11期

6 陈伟,李进延,李诗愈,李海清,蒋作文,成煜;微结构光纤的制造工艺研究[J];光通信研究;2005年03期

7 陆洋,张冶金,杨四刚,彭小舟,陈向飞,谢世钟;多极化方法研究微结构光纤特性[J];半导体光电;2005年03期

8 李曙光,周桂耀,邢光龙,侯蓝田,王清月,栗岩锋,胡明列;微结构光纤中超短激光脉冲传输的数值模拟[J];物理学报;2005年04期

9 郭巍;周桂耀;侯蓝田;韩颖;刘艳云;李秋菊;;微结构光纤的制备及其技术进展[J];光通信技术;2006年01期

10 刘艳云;侯蓝田;李秋菊;韩颖;刘兆伦;郭巍;;相干背散射法测量微结构光纤中的光子局域化[J];中国激光;2006年03期

中国重要会议论文全文数据库 前6条

1 郑娟娟;侯蓝田;周桂耀;侯峙云;李曙光;邢广忠;;微结构光纤中光子局域化现象[A];第十届全国红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集[C];2005年

2 蒋作文;李进延;李诗愈;陈伟;李海清;;微结构光纤结构设计和制备技术的研究[A];全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集[C];2005年

3 耿慧;熊飞;刘洋;胡威;;微结构光纤的色散特性及其最新进展[A];2012电力行业信息化年会优秀论文专辑[C];2012年

4 王丽莉;;微结构聚合物光纤规模化制造与应用技术最新研究进展[A];全国第15次光纤通信暨第16届集成光学学术会议论文集[C];2011年

5 罗文勇;李诗愈;陈伟;殷江明;莫琦;胡福明;;FTTH用微结构光纤的精确研制与性能研究[A];第九届中国通信学会学术年会论文集[C];2012年

6 郑龙;张霞;施雷;高静;马会芳;黄永清;任晓敏;;基于金纳米层的微结构光纤表面等离子体共振传感器[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 魏巍;微纳光子学若干关键器件的理论与实验研究[D];北京邮电大学;2015年

2 栾楠楠;基于微结构光纤的气体和表面等离子体共振传感器研究[D];天津大学;2015年

3 王然;微纳结构光子器件及高效差频太赫兹辐射源的研究[D];天津大学;2015年

4 鹿文亮;基于耦合理论的微结构光纤及其应用研究[D];北京交通大学;2015年

5 冀玉领;微结构光纤中的模间干涉及光腔的模式耦合[D];燕山大学;2005年

6 王伟;色散平坦微结构光纤理论设计及四波混频特性的研究[D];燕山大学;2010年

7 宋学鹏;微结构光纤非线性特性的理论及其实验研究[D];北京邮电大学;2006年

8 吴志芳;微结构光纤模式控制机理和应用研究[D];南开大学;2013年

9 杨绩文;微结构光纤设计及其稀土掺杂放大器研究[D];中国科学技术大学;2008年

10 吴婧;微结构光纤的传输特性和传感解调技术研究[D];南京师范大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘司英;锥形微结构光纤基本特性研究[D];燕山大学;2009年

2 杨春雪;基于偶氮材料填充的微结构光纤传感器件研究[D];南开大学;2015年

3 袁俊伟;微结构光纤长周期光栅的制备与传感特性研究[D];中国计量学院;2015年

4 周会丽;色散平坦微结构光纤及器件的理论与实验研究[D];北京邮电大学;2009年

5 郑龙;新型微结构光纤设计及其应用研究[D];北京邮电大学;2011年

6 刘艳云;微结构光纤的参数测试与研究[D];燕山大学;2006年

7 郭巍;关于微结构光纤制备的研究[D];燕山大学;2006年

8 王超;微结构光纤激光器件的理论与实验研究[D];南开大学;2005年

9 马景瑞;微结构光纤制备工艺的研究[D];燕山大学;2007年

10 卫艳芬;基于微结构光纤的全光2R再生研究[D];北京邮电大学;2007年

，

本文编号：1099647