新型光子晶体光纤、光波导耦合器件的传输特性及应用研究

摘要

本文提出几种具有新型功能的双芯光子晶体光纤结构，通过数值分析方法详细研究了双芯结构的光学特性，并将其应用于模式转换、定向耦合、偏振分束以及折射率传感等器件的设计和研制方面。主要研究内容如下:
　　 由于结构特殊性，常规的1×3光分束器一般难于实现均匀出光，且工作带宽窄。我们提出了一种1×3三芯光子晶体光纤定向耦合器，有效的实现能量在三个纤芯里均分。将三芯光子晶体光纤两侧纤芯包层空气孔直径增加，使得能量在两侧纤芯与中间纤芯之间发生部分耦合，进而实现能量在三个纤芯中均分。这种结构制作简单且允许有较大的制作容差。
　　 当前提出的几种光纤模式转换器或工作带宽窄或模式转换效率低等缺点。我们采用半矢量光束传播法设计了一种高效的宽带模式转换器，实现了其中一个纤芯的基模(LP01)和另一个纤芯的高阶模(LP02)之间的转换，数值分析表明该结构能在很宽的波长范围内实现模式的高效转换。同时，利用该双芯光子晶体光纤结构上的特点，提出一种偏振器的设计思路，即让纤芯中不需要的偏振模式耦合到另一个纤芯并输出，于是原来纤芯中就只存在所需的偏振模式，进而达到偏振控制的目的。
　　 实现偏振分束的常规方法有两种:一种是让两偏振方向均实现完全耦合，且对应耦合长度满足一定的比值关系;另一种方法是让其中一个偏振方向光不耦合，而另一个偏振方向的光完全耦合。通常，由这两种方法实现的偏振分束器具有或消光比低或工作带宽窄或输出端模场严重变形等缺点。基于模式耦合原理，我们设计了一种矩形结构双芯光子晶体偏振分束结构，使双芯光纤中其中一个偏振方向上能量发生完全耦合而另一个偏振方向上能量发生部分耦合，并让能量发生完全耦合的偏振方向的耦合长度与另一个偏振方向（能量仅发生部分耦合）的耦合长度呈两倍关系。这种基于能量部分耦合原理的设计思想允许比较容易地调节光纤结构参数来达到偏振分束的目的，同时，输出端纤芯模场形状规则，因而与单模光纤连接损耗低。通过光束传播法详细分析了两个偏振模式传输特性，并运用多极法对相关结论进行验证，两种方法结果一致。
　　 对折射率较低（低于光纤的背景材料折射率）物质的折射率测量，其灵敏度一般都比较低。然而将双芯光纤的耦合原理运用于对样品溶液的折射率测量，进而通过折射率的改变来分析该样品的生物、化学方面特性的研究比较新颖。本文提出将多个空气孔进行选择性填充形成一个微结构芯，使之与另外一个实芯相位匹配，进而发生能量耦合。当选取适当的光纤参数后，从某一纤芯输入一束光，则可以看到该纤芯的输出端能量频谱上会出现一个谷值，并且这个谷值随着待测样品折射率变化而出现红移或蓝移。因此，通过这种波长移动量来测量折射率的变化。详细分析了光纤结构参数对波长的移动量以及谱线的半宽度等参数的影响;同时分析了环境温度以及光纤制作过程产生的误差对该传感器性能的影响。
　　 通过对光子晶体光纤中空气孔填充液体、液晶、半导体或金属等材料来改变光纤的光学性能，进而实现一些可调谐的光学功能器件。基于金属丝产生的等离子模式，我们提出了填充金属丝的双芯光子晶体结构，并成功用于模式偏振分束方面。数值分析发现其耦合长度相比于未填充金属丝双芯光纤结构具有明显不同，具体表现为，其耦合长度呈现极大值且两偏振方向的耦合长度比值比较大。我们通过对双芯光子晶体光纤某一个或两个空气孔选择性填充金属进而改变光的传输、偏振等特性。数值模拟证明，这种选择性填充器件能够实现具有宽带、高消光比、输出端模场不变形等优点。
　　 SOI(SilicononInsulator)硅基波导因为高折射率差可以将光场限制在亚波长量级，表面等离子体光波导则是因为表面等离子体共振效应，从而打破光学衍射极限并将光场限制在亚波长量级波导中。借助两者的优势，我们提出了一种基于硅基混合型表面等离子光波导和水平狭缝波导的偏振分束器。通过选取合适的波导参数使得某个偏振方向上两波导的有效折射率相近，而另外一个偏振方向上两波导的折射率相差较大，这样即能实现一束光两个偏振方向的分离。这种结构具有器件长度短（几个微米），能够提高光路的集成度，且具有高消光比等特点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体

1．2 光子晶体光纤

1．2．1 折射率引导型光子晶体光纤

1．2．2 光子带隙型光子晶体光纤

1．2．3 混合导光型光子晶体光纤

1．3 光子晶体光纤制作

1．3．1 光子晶体光纤预制棒制作

1．3．2 光子晶体光纤拉制

1．4 光子晶体光纤双芯、多芯耦合研究进展

1．4．1 双芯、多芯光子晶体光纤耦合特性器件研究

1．4．2 光子晶体光纤双芯耦合在传感领域的应用

1．4．3 材料选择性填充光子晶体光纤耦合特性研究

1．5 本课题主要研究内容及意义

第二章 光子晶体光纤数值计算方法及模式耦合理论

2．1 光束传播法

2．1．1 波动方程基本形式

2．1．2 缓变包络近似

2．1．3 方程离散数值处理

2．1．4 边界条件的选取

2．1．5 在光子晶体光纤数值模拟中的应用

2．2 全矢量有限元分析方法

2．2．1 有限元方法分析基本思路

2．2．2 光子晶体光纤有限元分析

2．3 多极法

2．4 耦合基本理论

2．4．1 模式耦合方程

2．4．2 模式耦合长度的计算

2．5 本章小结

第三章 双芯和多芯光子晶体光纤耦合及偏振特性研究

3．1 引言

3．2 三芯光子晶体光纤定向耦合器

3．2．1 三芯光子晶体光纤结构

3．2．2 三芯光子晶体光纤定向耦合特性分析

3．2．3 三芯光子晶体光纤耦合器容差分析

3．3 双芯光子晶体光纤模式转换器

3．3．1 光子晶体光纤模式转换器计算模型

3．3．2 结构参数优化

3．3．3 模式转换过程及传输谱线分析

3．4 双芯光子晶体光纤偏振分束特性研究

3．4．1 矩形结构双芯光子晶体光纤计算模型

3．4．2 偏振分束器的设计

3．4．3 可行性分析及计算方法验证

3．5 双芯光子晶体光纤偏振控制器件研究

3．5．1 双芯光子晶体光纤偏振控制器件设计思路

3．5．2 设计参数的选取及数值模拟

3．5．3 偏振控制器件的性能

3．6 本章小节

第四章 双芯光子晶体光纤折射率传感器件设计

4．1 微结构芯光子晶体光纤折射率传感设计

4．1．1 双芯光子晶体光纤结构

4．1．2 相位匹配条件

4．1．3 传输过程及传输曲线分析

4．1．4 动态检测范围

4．1．5 温度对结构的影响

4．1．6 光纤制作容差

4．2 改进的微结构芯光子晶体光纤折射率传感器

4．2．1 结构参数选取

4．2．1 光谱图

4．2．2 讨论

4．3 双芯光子晶体光纤生物传感器

4．3．1 双芯光子晶体光纤生物传感计算模型

4．3．2 光子晶体光纤双芯模式匹配关系

4．3．3 频谱曲线对薄膜厚度变化分析

4．4 本章小节

第五章 基于金属等离子激元效应的光子晶体光纤及光波导耦合特性研究

5．1 金属的光学性质

5．2 平面等离子激元

5．3 金属丝光学特性

5．4 基于金属填充的双芯光子晶体光纤的耦合特性分析

5．4．1 光纤结构

5．4．2 耦合特性分析

5．4．3 结构参数对耦合长度的影响

5．5 基于金属填充的三芯结构光子晶体光纤的耦合特性分析

5．5．1 双芯超模理论

5．5．2 模式有效折射率及耦合长度变化关系

5．6 混合金属等离子光波导偏振分束器

5．6．1 金属混合波导的概念与基本性质

5．6．2 狭缝波导的概念与基本性质

5．6．3 偏振分束器设计

5．7 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介