选择性液体填充的光子晶体光纤及其应用研究

摘要

作为二维光子晶体的典型应用，光子晶体光纤以其灵活的结构设计和独特的传光特性，近年来逐渐成为光纤领域研究的热点，并被广泛应用于光纤通信和光纤传感系统的设计。随着光子晶体光纤后处理技术的发展，基于功能材料填充的光子晶体光纤研究能够同时吸纳光纤光学和材料科学的优势，并由此衍生出大量具有精巧微纳结构和优异光学性能的光纤光子器件。本文针对目前基于填充实现的光纤功能器件的研究现状，利用光子晶体光纤的数值模拟方法并结合光纤的选择性填充技术，从结构设计的角度出发提出一些新的研究思路，设计制作了三种不同类型的光纤光子器件，并对这些光纤器件的理论机理、实验制作、光谱特性以及传感性能进行了系统研究，本文主要研究工作及相应研究成果如下:
　　1.提出了一种基于两种不同折射率的液体选择性填充实现的双波段可调谐光子晶体光纤滤波器，并利用全矢量有限元法计算了其固、液芯中激起的模式种类和模式耦合特性。理论模拟和实验结果表明:该滤波器具有很高的温度、应力调谐灵敏度和良好的线性度，随着温度从27.0℃增加到30.6℃，在两个不同波段内调谐范围分别达到145nm和125nm，并能够同时覆盖1310nm和1550nm两个通信窗口。
　　2.理论设计并实验制作了一种基于高折射率液体填充实现的光子晶体光纤双参量传感器，该传感器具有插入损耗低、灵敏度高的优点。通过对光子晶体光纤包层中的两个空气孔选择性填充折射率为1.466和1.500的液体，形成两个液体柱光波导，在一定的温度条件下，基于折射率匹配耦合原理，光纤纤芯基模的能量就会耦合到两个液柱的不同模式当中，从而产生具有不同传感特性的谐振耦合峰，可应用于解决实际测量过程中的温度、应力交叉敏感问题。
　　3.提出了一种基于类椭圆芯光子晶体光纤实现的新型光纤马赫-曾德干涉仪，该干涉仪是通过将特定折射率的液体选择性填充到光纤包层最内层空气孔的其中一个当中制作的。在波长范围1300nm至1600nm之间，液体的折射率非常接近于光纤基底材料的折射率，导致光纤固体纤芯受到液体柱的强烈影响从而形成类椭圆纤芯并能够激起多种传导模式，由于各模式具有不同的传播常数并且模场互相交叠，因此能够发生稳定的干涉现象。理论模拟和实验结果表明:干涉主要发生在基模和一阶高阶模之间。另外，该干涉仪可应用于高灵敏度的温度、应力传感测量并且具有高对比度、宽动态范围的优点。

目录

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摘要

第一章 绪论

第一节 光子晶体光纤概述

1．1．1 光子晶体光纤的结构及分类

1．1．2 光子晶体光纤的光学特性

1．1．3 光子晶体光纤的典型后处理方式

1．1．4 光子晶体光纤的数值分析方法

第二节 基于功能材料填充的光子晶体光纤研究进展

1．2．1 光子晶体光纤的填充方法

1．2．2 填充用功能材料简介

1．2．3 基于填充实现的光子晶体光纤功能器件

第三节 课题研究意义及主要内容

1．3．1 课题研究意义

1．3．2 研究内容和创新点

第二章 双波段可调谐光子晶体光纤滤波器的设计及实现

第一节 光纤滤波器发展概况及分类

第二节 双波段可调谐光子晶体光纤滤波器的理论设计

2．2．1 液体填充后的光纤模式分析

2．2．2 类三芯光子晶体光纤的模式耦合特性

第三节 双波段可调谐光子晶体光纤滤波器的实现及特性研究

2．3．1 滤波器的实现及光谱分析

2．3．2 滤波器调谐特性研究

本章小结

第三章 高灵敏度光子晶体光纤温度-应力传感器

第一节 光纤温度-应力传感器的研究背景

第二节 液体填充的光纤双参量传感器理论研究

3．2．1 高折射率液体填充光纤的模式特性

3．2．2 光纤双参量传感器设计及理论分析

第三节 液体填充的光纤双参量传感器实验研究及结果分析

3．3．1 温度特性研究及分析

3．3．2 应力特性研究及分析

本章小结

第四章 类椭圆芯光子晶体光纤马赫-曾德干涉仪

第一节 光纤M-Z干涉仪的研究背景

4．1．1 全光纤M-Z干涉仪简介

4．1．2 基于液体填充的光纤M-Z干涉仪

第二节 类椭圆芯光纤M-Z干涉仪的理论及实验研究

4．2．1 类椭圆芯光纤M-Z干涉仪结构设计及模式分析

4．2．2 不同填充长度下干涉仪光谱特性研究

第三节 类椭圆芯光纤M-Z干涉仪传感特性研究及分析

4．3．1 填充长度对光纤M-Z干涉仪温度特性的影响

4．3．2 应力特性研究及交叉敏感问题的解决

本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果