基于材料修饰的新型微结构光纤器件研究
发布时间：2021-11-23 00:38
微结构光纤,由于其结构设计的灵活多变性及传统光纤无法比拟的优异光学特性,极大地突破了传统光纤的局限,为纤维光学带来了一场深刻变革,为光纤技术及其应用领域的发展提供了新的发展途径。近年来,微结构光纤及应用研究成为国内外关注的热点,为光通信、光传感、光器件、量子光学、生物医学等领域的发展瓶颈问题突破提供了新的契机。微结构光纤中存在的空气孔为功能材料的修饰提供了天然的通道,材料修饰的微结构光纤集材料的优异光学特性与微结构光纤灵活的结构设计于一体,为提升微结构光纤性能、扩展其应用范围及新型光器件开发提供了新的途径。本学位论文在国家自然科学基金项目和北京交通大学博士生创新基金项目的联合资助下,开展基于金属修饰微结构光纤的理论及实验研究,重点围绕着宽带微结构光纤偏振滤波器、单模圆柱矢量光束模式选择器以及高性能光纤传感器开展深入研究。取得的主要创新成果如下:1.提出一种具有偏振滤波功能的镀金膜微结构光纤。为提高镀金膜的可行性,综合考虑增强金属表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）与减小镀金膜对光纤损耗的影响,在微结构光纤设计中将包层第二圈空气孔的一个空气孔设计...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
996年J.C.Knight研制的空气孔微结构光纤(a)，1998年J.C.Knight研制的光子带隙光纤(b)和空气纤芯光子带隙光纤(c)
为0.28±0.04dB/km，是目前报道的具有最低传输损耗的HC-ARF，其损耗值已逼近传统单模光纤值，而空芯导光不再受材料损伤阈值的限制，可以很大程度消除光纤材料色散及非线性的影响，在空芯光纤长距离传输系统、高功率激光传输、脉冲压缩、光纤陀螺和太赫兹导光等方面展示出巨大的应用潜力。HC-ARF较之HC-PBGF，不要求包层具有很强的周期性结构，因此降低了制作难度。此外，这种光纤的结构设计比较灵活，并且可以在较宽的窗口内实现低损耗传输，这一特性为宽带空芯光器件的研究提供了基础，成为当前空芯光纤的研究热点。图1.2Kagome包层HC-ARF(a),负曲率HC-ARF(b),单层负曲率HC-ARF(c),单层管HC-ARF(e),双包层连接管HC-ARF(f),六管套管HC-ARFFigure1.2TheHC-ARFwithKagomecladding(a),negativecurvatureHC-ARF(b),singlelayernegativecurvatureHC-ARF(c),HC-ARFwithtubularcladding(d),HC-ARFwithdoublecladconnectingpipe(e),HC-ARFwithsixnestedtubes(f).由于微结构光纤具有丰富的结构多变性，很多具有独特光学性能的微结构光纤被设计和制作出，并应用于航天、通信、传感等诸多领域。通过改变微结构光纤包层空气孔的大小和排布，可实现很多独特性能。如引
北京交通大学博士学位论文4入不同大小空气孔，可打破光纤对称性，实现保偏特性。2014年，美国OFS实验室J.M.Fini等在HC-PBGF的纤芯两侧包层中引入对称的两个空心，利用谐振耦合效应抑制高阶模，实现基模传输，结构如图1.3(a)所示，模式双折射可达10-3量级[37]。保偏微结构光纤在光纤通信、光学器件和光纤传感等领域有着广泛的应用，其中基于保偏微结构光纤的光纤陀螺在军事领域具有不可估量的实用潜能。2015年，Yan等人采用保偏HC-PBGF和保偏耦合器形成谐振式光纤陀螺谐振腔，如图1.3(b)所示。该光纤陀螺获得高偏振稳定性，长期稳定度提高到0.007°/s[38]。图1.3保偏HC-PBGF结构示意图(a)和基于HC-PBGF的谐振式光纤陀螺谐振腔(b)Figure1.3ThestructuraldiagramofpolarizationmaintainingHC-PBGF(a)andtheresonantfiberopticgyroresonatorbasedonHC-PBGF(b)在微结构光纤中引入两个或多个缺陷后，可形成双芯或多芯微结构光纤。通过调节包层空气孔大小和分布，可以调节两纤芯之间发生耦合时的条件，从而实现光纤对光功率、波长和偏振态的选择。2013年，本课题组提出一种低折射率纤芯双芯微结构光纤[39]，在两纤芯之间引入三个小圆孔，结构如图1.4(a)所示。基于该光纤可实现50:50的耦合器。并且通过计算可得，在波长1.26μm到1.625μm的范围内，该耦合器的分光比误差小于1%。2013年，谌鸿伟等人提出一种采用多芯微结构光纤实现高功率超连续谱产生的潜在方案[40]，光纤结构如图1.4(b)所示。得到光谱范围750nm到1700nm，平均功率42.3W的全光纤化高功率超连续谱输出。多芯微结构光纤中各个纤芯之间的光场可以互相耦合，从而形成超模，无形中增大了有效模场面积，且由于包层空气孔的存在，可实现零色散点调控，从而控制调节超连续谱位置和范围。2019?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯的光纤甲苯传感研究[J]. 肖毅,郑振东,李坤晓,梁振荣,马可真,陈仡林. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[2]Highly sensitive and wide-dynamic-range liquid-prism surface plasmon resonance refractive index sensor based on the phase and angular interrogations[J]. 兰国强,刘书钢,张学如,王玉晓,宋瑛林. Chinese Optics Letters. 2016(02)
[3]多芯光子晶体光纤高功率超连续谱光源[J]. 谌鸿伟,陈胜平,刘通,陈子伦,侯静,陆启生,韦会峰,李江,童维军. 强激光与粒子束. 2013(05)
[4]金纳米棒的光学性质研究进展[J]. 柯善林,阚彩侠,莫博,从博,朱杰君. 物理化学学报. 2012(06)
[5]用于宽带偏振无关耦合器的双芯光子晶体光纤[J]. 王立文,娄淑琴,陈卫国,鹿文亮,王鑫. 中国激光. 2012(06)
[6]基于超连续谱的光子晶体光纤表面等离子体效应[J]. 黄值河,侯静,彭杨,李志鸿,奚小明,陈金宝. 强激光与粒子束. 2011(01)
[7]大模面积双包层掺Yb3+光子晶体光纤激光器[J]. 张炜,李乙钢,闫培光,朱剑平,吕可诚. 光电子·激光. 2005(04)
本文编号：3512761
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
996年J.C.Knight研制的空气孔微结构光纤(a)，1998年J.C.Knight研制的光子带隙光纤(b)和空气纤芯光子带隙光纤(c)
为0.28±0.04dB/km，是目前报道的具有最低传输损耗的HC-ARF，其损耗值已逼近传统单模光纤值，而空芯导光不再受材料损伤阈值的限制，可以很大程度消除光纤材料色散及非线性的影响，在空芯光纤长距离传输系统、高功率激光传输、脉冲压缩、光纤陀螺和太赫兹导光等方面展示出巨大的应用潜力。HC-ARF较之HC-PBGF，不要求包层具有很强的周期性结构，因此降低了制作难度。此外，这种光纤的结构设计比较灵活，并且可以在较宽的窗口内实现低损耗传输，这一特性为宽带空芯光器件的研究提供了基础，成为当前空芯光纤的研究热点。图1.2Kagome包层HC-ARF(a),负曲率HC-ARF(b),单层负曲率HC-ARF(c),单层管HC-ARF(e),双包层连接管HC-ARF(f),六管套管HC-ARFFigure1.2TheHC-ARFwithKagomecladding(a),negativecurvatureHC-ARF(b),singlelayernegativecurvatureHC-ARF(c),HC-ARFwithtubularcladding(d),HC-ARFwithdoublecladconnectingpipe(e),HC-ARFwithsixnestedtubes(f).由于微结构光纤具有丰富的结构多变性，很多具有独特光学性能的微结构光纤被设计和制作出，并应用于航天、通信、传感等诸多领域。通过改变微结构光纤包层空气孔的大小和排布，可实现很多独特性能。如引
北京交通大学博士学位论文4入不同大小空气孔，可打破光纤对称性，实现保偏特性。2014年，美国OFS实验室J.M.Fini等在HC-PBGF的纤芯两侧包层中引入对称的两个空心，利用谐振耦合效应抑制高阶模，实现基模传输，结构如图1.3(a)所示，模式双折射可达10-3量级[37]。保偏微结构光纤在光纤通信、光学器件和光纤传感等领域有着广泛的应用，其中基于保偏微结构光纤的光纤陀螺在军事领域具有不可估量的实用潜能。2015年，Yan等人采用保偏HC-PBGF和保偏耦合器形成谐振式光纤陀螺谐振腔，如图1.3(b)所示。该光纤陀螺获得高偏振稳定性，长期稳定度提高到0.007°/s[38]。图1.3保偏HC-PBGF结构示意图(a)和基于HC-PBGF的谐振式光纤陀螺谐振腔(b)Figure1.3ThestructuraldiagramofpolarizationmaintainingHC-PBGF(a)andtheresonantfiberopticgyroresonatorbasedonHC-PBGF(b)在微结构光纤中引入两个或多个缺陷后，可形成双芯或多芯微结构光纤。通过调节包层空气孔大小和分布，可以调节两纤芯之间发生耦合时的条件，从而实现光纤对光功率、波长和偏振态的选择。2013年，本课题组提出一种低折射率纤芯双芯微结构光纤[39]，在两纤芯之间引入三个小圆孔，结构如图1.4(a)所示。基于该光纤可实现50:50的耦合器。并且通过计算可得，在波长1.26μm到1.625μm的范围内，该耦合器的分光比误差小于1%。2013年，谌鸿伟等人提出一种采用多芯微结构光纤实现高功率超连续谱产生的潜在方案[40]，光纤结构如图1.4(b)所示。得到光谱范围750nm到1700nm，平均功率42.3W的全光纤化高功率超连续谱输出。多芯微结构光纤中各个纤芯之间的光场可以互相耦合，从而形成超模，无形中增大了有效模场面积，且由于包层空气孔的存在，可实现零色散点调控，从而控制调节超连续谱位置和范围。2019?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于石墨烯的光纤甲苯传感研究[J]. 肖毅,郑振东,李坤晓,梁振荣,马可真,陈仡林. 激光与光电子学进展. 2016(06)
[2]Highly sensitive and wide-dynamic-range liquid-prism surface plasmon resonance refractive index sensor based on the phase and angular interrogations[J]. 兰国强,刘书钢,张学如,王玉晓,宋瑛林. Chinese Optics Letters. 2016(02)
[3]多芯光子晶体光纤高功率超连续谱光源[J]. 谌鸿伟,陈胜平,刘通,陈子伦,侯静,陆启生,韦会峰,李江,童维军. 强激光与粒子束. 2013(05)
[4]金纳米棒的光学性质研究进展[J]. 柯善林,阚彩侠,莫博,从博,朱杰君. 物理化学学报. 2012(06)
[5]用于宽带偏振无关耦合器的双芯光子晶体光纤[J]. 王立文,娄淑琴,陈卫国,鹿文亮,王鑫. 中国激光. 2012(06)
[6]基于超连续谱的光子晶体光纤表面等离子体效应[J]. 黄值河,侯静,彭杨,李志鸿,奚小明,陈金宝. 强激光与粒子束. 2011(01)
[7]大模面积双包层掺Yb3+光子晶体光纤激光器[J]. 张炜,李乙钢,闫培光,朱剑平,吕可诚. 光电子·激光. 2005(04)
本文编号：3512761
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