多层膜红外及太赫兹空芯光纤

摘要

传统的二氧化硅通信光纤由于在中远红外以及太赫兹波段存在很大的介质材料吸收而无法传输此波段的电磁波。介质金属结构的空芯光纤在这些波段有着优越的性能，因为能量是在光纤的内部空气芯中传输。通过选择合适内镀介质膜的厚度，可以实现在特定波长处实现低损耗窗口。自上个世纪八十年代，空芯光纤先后经历了理论体系的建立，内镀金属膜光纤的制备，单层介质金属光纤的低损耗传输，以及近年多层介质膜光纤的发展历程。
　　本文重点讨论多层介质膜空芯光纤的进一步发展。首先详细的阐述了两种空芯光纤的理论模型。对于几何光学模型，采用传输矩阵算法，总结了计算模拟单层介质膜以及多层介质膜光纤损耗特性的方法。同时计算了介质膜表面粗糙度对于光纤损耗的影响。对于传输线模型，给出了计算偶数层以及奇数层介质膜时的HE11模损耗的方法。同时引入了介质膜吸收对于光纤损耗的影响。介质膜表面粗糙度一直是带来红外多层膜光纤附加损耗最重要的因素。实验结果表明，在实际介质膜粗糙的情况下，光纤的各种设计参数均稍有别于原始的理论值。所以，有必要讨论介质膜粗糙时，光纤参数的最优化设计。本文给出了多层膜光纤内半径、介质膜层数、介质膜厚度以及介质膜折射率的最优化设计，同时提出了多层膜光纤粗糙度容限的概念。
　　虽然各种类型的多层膜光纤已经成功的用于近红外的传输，但是中红外波段的多层膜光纤制作依然存在很大的挑战，这是由于较厚的介质膜带来很大的粗糙度。本文根据理论设计的参数，采用SiO2和AgI成功制备了用于中红外5.3μm传输的三层膜光纤。详细的讨论了银膜、SiO2以及AgI介质膜的制备工艺。如何有效的降低介质膜的表面粗糙度，以及如何精确的控制介质膜的厚度，都进行了详细的探讨。制得的三层膜光纤在5.3μm有着明显的低损耗窗口。在太赫兹波段，金属镀膜光纤以及镀有单层介质膜的光纤目前已经有着较多的研究。多层膜光纤只是用于近中红外波段的传输，其在远红外以及太赫兹波段的研究尚处于空白。同近红外区域一样，在太赫兹区域多层介质膜结构能够有效的降低传输损耗以及弯曲损耗。本文详细分析了多层膜太赫兹光纤的传输特性、参数设计以及可行的制备工艺。提出了介质膜吸收对光纤传输的影响，以及考虑吸收情况下光纤的内径、材料的选取以及介质膜层数的最优化设计。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 红外光纤

1．3 太赫兹光纤

1．4 空芯光纤的发展历史和研究现状

1．4．1 空芯光纤的分类和结构

1．4．2 空芯光纤与实芯光纤的比较

1．4．3 空芯光纤的发展历史

1．4．4 空芯光纤的研究现状

1．5 本文研究的重点意义及章节安排

第二章 传输模型

2．1 概述

2．2 几何光学模型

2．2．1 介质膜光学传输矩阵算法

2．2．2 单层介质膜光纤

2．2．3 多层介质膜光纤

2．2．4 引入粗糙度之后光纤特性的变化

2．3 传输线模型

2．3．1 模式损耗

2．3．2 奇数层介质膜

2．3．3 偶数层介质膜

2．3．4 介质层吸收对光纤模式损耗的影响

2．4 空芯光纤弯曲损耗

2．5 本章小结

第三章 参数设计优化

3．1 概述

3．2 结构参数设计

3．2．1 内半径

3．2．2 介质膜层厚度

3．2．3 介质膜层数

3．2．4 介质膜折射率

3．3 粗糙度容限

3．3．1 概念

3．3．2 粗糙度容限大小

3．4 本章小结

第四章 制作工艺

4．1 概述

4．2 介质膜材料

4．3 理论传输特性

4．4 制作工艺

4．4．1 银膜的制备

4．4．2 二氧化硅介质膜的制备

4．4．3 碘化银介质膜的制备

4．5 成功制备的三层膜Ag／SiO2／AgI／SiO2光纤

4．6 本章小结

第五章 多层膜太赫兹光纤的提出

5．1 概述

5．2 太赫兹多层膜光纤的传输特性

5．3 介质膜吸收对传输特性的影响

5．4 多层膜太赫兹光纤的设计

5．4．1 内半径

5．4．2 介质膜材料

5．4．3 介质膜层数

5．5 吸收容限

5．6 制作工艺

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

硕士期间论文发表情况

致谢

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