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亚微米液芯光纤的理论与实验研究

朱钰  
【摘要】: 随着器件设计理论和制备工艺技术的发展,以及对器件工作性能和能量消耗等要求的提高,减小器件尺寸、提高集成度,将光子器件与微电子、光电子器件在纳米尺度上混合集成己经成为必然趋势,这就要求光波导线宽向亚波长和纳米尺寸发展。到上个世纪末,随着光纤拉锥制造技术的发展,直径达到亚微米和纳米量级的新型光纤由于其较小的尺寸和很好的非线性与色散性质又重新引起了大家的强烈兴趣。同时,液芯光纤是一种新型的结构的光传输器件,具有大芯径、大数值孔径、能量传输效率高,使用寿命长等特点,特别适合用于非线性光学研究、光谱研究、荧光检测等方面。本文结合液芯光纤与目前先进的光纤拉锥技术,创造性的提出了亚微米液芯光纤,并从理论与实验两个方面对它进行了系统的研究。 我们从三层的圆柱模型出发,利用麦克斯韦方程组和边界条件,理论上系统的研究了亚微米液芯光纤的传输特性,并与传统的亚微米二氧化硅光纤的性质一一做了比较。以二硫化碳作为纤芯为例,我们完成了理论上的模拟工作。主要研究了包括传播常数、单模条件、模场分布、传输效率、非线性参数、群速度以及总色散等重要的参数。研究理论模拟的结论表明:相比与亚微米二氧化硅光纤,亚微米液芯光纤对纤芯中传播的能量具有更强的束缚作用;由于液体本身较大的三阶非线性系数和亚微米尺度下比较小的有效作用面积,亚微米液芯光纤具有很大的非线性参数;在我们研究的波长范围内,亚微米液芯光纤的总色散始终为负且不存在色散零点。我们研究的亚微米液芯光纤,当其液体芯径减小到小于1个微米时,外径仍然保持在几个到数十个微米。与传统的亚微米二氧化硅光纤相比,这样的光纤更易拉制,且使用中具有更高的力学稳定性。 对于亚微米液芯光纤,通过充入不同材料的高折射率的液体,我们可以得到具有不同传播性质的亚微米液芯光纤,满足不同科学研究的需要。因此我们接下来分别计算了以二硫化碳(carbon disulfide)甲苯(Toluene)硝基苯(Nitrobenzene)苯(Benzene)四种液体材料为纤芯的亚微米液芯光纤的各种传播参量,并在最后通过求解非线性薛定谔方程,模拟了超短脉冲在光纤中传输产生超连续谱的过程。最后结论表明通过调整液体材料的种类或调整光纤的直径,我们可以得到可调谐的非线性参数和光纤的总色散。之后我们取长度为1cm,内径为0.5μm的充满二硫化碳的亚微米液芯光纤为例,得到了相应的超连续光谱模拟结果。该超连续谱具有大约1000nm的谱宽,且相比于传统的方法,我们需要的光纤长度短得多。利用液体的折射率对温度具有很大的敏感性这个特性,把甲苯与氯仿的混合物充入空心光纤之中形成混合型液芯光纤,与亚微米光纤拉锥技术相结合,我们研制出了一种新型的强度调制型温度传感器。对于这种传感器,通过简单的改变混合液体中各组分的比例,我们可以得到很高的灵敏度和很宽的调谐范围。我们实验实现了对20-60℃.之中不同范围温度的传感。实验数据显示,这种传感器具有4 dB/K到5dB/K的灵敏度。这种传感器还具有制作简单,价格低廉的优点。


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