基于磁流体双折射特性的微结构光纤光子器件研究

摘要

全光通信作为二十一世纪的一种重要通信技术，对社会的发展、科学的进步有着深远的影响。人们对于大容量、高速率的信息传输和处理技术要求越来越高，具有微型化、高性能、低损耗的光纤光子器件研究成为光电子领域的热门课题。微结构光纤由于其结构的多样性和优异的性能，在新型光纤光子器件的研究中被广泛应用。尤其是微结构光纤内部的空气孔，为各种功能材料的集成提供了可能，借助材料与各种外界环境参数的交互，更加拓宽了光纤器件的应用范围。相对于传统光纤器件，这类器件具有结构紧凑、灵敏度高、应用范围广等特点。本文主要采用各种光纤液体填充方法将磁流体填充到各种微结构光纤内部，分析了光传播特性，并结合磁流体的双折射特性进行了理论和实验分析，实现了高灵敏度、高分辨率的磁场传感。 本文的主要内容包括： 1.介绍了微结构光纤材料填充的研究方法。通过基于有限元法的Comsol等模拟软件对光纤结构进行建模，并且设置各种材料填充的物理参数，对材料填充之后的光纤模场进行研究；根据填充材料和填充结构的不同，详细介绍了几种简单易行的光纤材料填充方法，根据实际情况选择合适的填充方法以实现器件的设计。 2.利用直接填充法通过液体的毛细作用将磁流体填充到直径为40μm的熔融石英毛细管中，为了满足器件的干涉条件，将毛细管置入Sagnac环路中，基于磁流体的双折射特性实现了一种高灵敏度的磁场传感器。首先研究了磁流体液芯波导的通光性和毛细管的谐振反射波导特性，然后分别研究了两种浓度下器件对于磁场的灵敏度，通过外界磁场实现了对干涉峰的波长调谐。 3.通过多次截断法实现了磁流体对高双折射光子晶体光纤的选择性填充。将磁流体填充到纤芯的一个大孔中，进一步改变了光纤的圆对称性，提高了整个器件的双折射。分别从理论模拟和实验出发，对选择性填充之后的器件模场分布进行了研究；分析不同的填充长度对器件光谱的影响，实现了一种高灵敏度的磁场传感器。

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