微球与光纤耦合系统光学特性的理论计算和设计优化

摘要

该论文将微球与锥形光纤作为一个有机的整体形成一个耦合系统,构成了集成光学中一个全新的基本结构单元作为研究对象.对锥形光纤作为有效激发微球高品质因数回廊模的泵浦方式具有的潜在优势进行了评述,并利用量子电动力学理论计分析了策腔的回廊模特、光纤地模特性、光纤波导模特性及有关的耦合模理论.首次提出了静态净耦合效率的概念,以描述具有固有损耗的微球与锥形光纤耦合系统有效率的概念,以描述具有固有损耗的微量透过能力的功率耦合系数的本质区别,并推导出它们依赖于系统的几何参数的解析表达式.利用这些表达式,给出实现最佳耦合的解析条件,并进行了分析讨论.首次提出了次增益介质引入微球,以使耦合系统的关键指标:Q值提高几个数量级, 并发现了耦合系统的新的特性和应用.对于增益系数可视为常数的情况,论文中揭示了增益系数与固有损耗系数的大小关系对耦合系统输出特性有质的影响.特别地,发现增益系数大于固有损耗系数时,存在强烈的功率放大现象,这使耦合系统有可能成为新的光学放大器.同时,对系统进行修改,发现其对位于球赤道表面上的有吸收的分子样品异常敏感,并利用推导出的敏感因子的解析表达式,探讨了其作为单分子传感的可能性.通过研究耦合系统中微球的非线性Kerr效应对其输出特性的影响,发现了本耦合系统在较低入射功率下即可产生双稳态和差分放大现象,并首次推导出产生这些非线性现象的临界解析条件以及实际双稳态器件的基本指标参数的解析表达式,利用这些表达式分析了各参数对双稳态和差分放大运行的控制作用,为该系统用作光子计算机、高速全光学处理系统中的光学存储器、逻辑门、全光开关等光集成器件提供了理论依据.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1研究背景

§1.2微球共振器及其与光纤耦合系统的研究概述

§1.3本论文研究的主要内容

参考文献

第二章微球与锥形光纤耦合系统特性的基本理论

§2.1微球作为共振系统的基本特性

§2.2光纤作为传输系统的基本特性

§2.3微球与锥形光纤模耦合的基础理论

参考文献

第三章具有固有损耗介质的微球与光纤耦合系统

§3.1静态净耦合效率

§3.2静态功率耦合系数t2

§3.3最佳耦合条件及数值讨论

§3.4窄带信道下载滤波器

参考文献

第四章含有增益介质的微球与光纤耦合系统

§4.1增益对耦合系统输出特性的影响

§4.2耦合系统在g＞a时的应用——放大器和传感器

§4.3耦合系统的相位响应

§4.4高增益、高强度耦合系统输出功率特性

参考文献

第五章含有非线性Kerr介质的微球与锥形光纤耦合系统

§5.1非线性Kerr效应对耦合系统输出特性的影响

§5.2双稳态和差分放大的临界条件

§5.3数值计算结果和讨论

§5.4低阈值全光开关

参考文献

第六章总结

作者在学期间发表的文章

致谢