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基于功能材料填充光子晶体光纤光子器件的模拟研究

刘强  
【摘要】:光子晶体光纤是一种具有可以贯穿整根光纤的周期或准周期性排列空气孔的特种光纤,光学功能材料是一类在力、声、热、电、磁或光等外场作用下其光学性质可能发生变化或调制的材料。光子晶体光纤的多孔特性为材料填充光纤的制备提供了新的契机,功能材料填充光子晶体光纤有望极大地扩展光纤的性能和应用范围,便于实现新型光子器件。本文通过将金属、温敏液体、磁流体、软玻璃选择性填充或者全部填充到光子晶体光纤的气孔中,设计了多种类型的光子晶体光纤偏振器件和传感器件。首先,设计了金属丝填充或者镀金属膜的光子晶体光纤,实现了多种类型偏振滤波器。当光纤纤芯模式和表面等离子体模式满足相位匹配条件时,两种模式便可以发生耦合共振,纤芯模式一部分能量耦合到金属表面导致光纤某一偏振模的能量迅速衰减,进而实现滤波效果。通过改变光纤结构参数考察了共振波长的漂移情况,通过优化光纤参数可以同时实现1.31μm、1.55μm处偏振滤波,通过在空气孔内选择性填入高折射率液体实现了可调谐偏振滤波器。其次,设计了金属以及软玻璃选择性填充双芯光子晶体光纤偏振分束器,观察了光纤参数、金属以及软玻璃对双芯光子晶体光纤耦合长度、耦合长度比的影响,研究了优化参数下光子晶体光纤偏振分束器的插入损耗以及分束性能。拉制的光子晶体光纤和理论设计的光纤参数会存在一定的误差,因此我们考虑了光纤参数的波动对偏振分束性能的影响。对填充金属前后光子晶体光纤的双折射进行对比,结果显示金属填充使得光子晶体光纤的双折射得到了提高,从而实现了良好的偏振分束性能。然后,设计了温敏液体选择性以及全部填充的光子晶体光纤温度传感器,在六芯光纤中央空气孔填充温敏液体,利用光纤模式和液芯模式耦合有望实现温度场的检测,数值研究表明六芯光纤中央空气孔镀金属膜后填充温敏液体可以提高传感的灵敏度。在光纤内填充高折射率温敏液体可以形成液芯模,再利用液芯模和表面等离子体模共振耦合进一步提高了传感器的灵敏度。通过将光子晶体光纤空气孔实现温敏液体全填充,再利用Sagnac干涉仪实现了超高灵敏度的温度传感器。最后,设计了磁流体填充的光子晶体光纤Sagnac干涉型磁场传感器,由光源发出的光经过耦合器分为两束,一束光沿着顺时针方向传输,另一束光沿着逆时针方向传输,最终存在相位差的两束光经过耦合器形成一束光并且产生干涉。利用磁流体填充的高双折射光纤有望实现高灵敏度的磁场传感器,通过在光纤纤芯位置引入小的空气孔形成缺陷芯,由于缺陷芯本身包含磁流体,所以外界磁场对光纤模式的影响更大,进一步提升了磁场传感器的灵敏度。


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