太赫茲聚合物光纖及其功能器件的研究.pdf

1、太赫茲科學(xué)技術(shù)是近年來的研究熱點(diǎn)。太赫茲輻射源、探測(cè)技術(shù)和功能器件等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域已取得了巨大的進(jìn)步，并大大促進(jìn)了太赫茲應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。然而，當(dāng)前普遍采用的太赫茲光路系統(tǒng)存在體積龐大、成本高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。將太赫茲系統(tǒng)“柔性化”、“小型化”、“集成化”是目前迫切需要解決的問題。設(shè)計(jì)出像光纖通信系統(tǒng)一樣集成化、多功能、便于攜帶和維護(hù)的太赫茲系統(tǒng)，是研究人員不斷努力的方向和目標(biāo)。太赫茲聚合物光纖波導(dǎo)和功能器件是構(gòu)成柔性化太赫茲系統(tǒng)的重要組成

2、部分，對(duì)它們的研究具有極其重要的意義。
　　本文首先對(duì)研究背景進(jìn)行了簡(jiǎn)介；然后對(duì)光纖波導(dǎo)研究的理論基礎(chǔ)——模式理論進(jìn)行了探討，并給出有限元方法的基本原理和采用專業(yè)數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行模式分析的具體方法和步驟。在此基礎(chǔ)上，圍繞太赫茲聚合物光纖波導(dǎo)、功能器件和傳感三個(gè)領(lǐng)域分別展開研究。取得的主要研究成果如下：
　　1、太赫茲光纖波導(dǎo)方面：對(duì)聚合物高雙折射光纖進(jìn)行了研究。提出了一種通過對(duì)三角晶格多

3、孔光纖隔行分層填充液體來獲得超高模式雙折射的方法。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過隔行分層填充液體的后處理操作，普通多孔光纖能夠?qū)崿F(xiàn)超高的模式雙折射，且光纖對(duì)模場(chǎng)的限制能力更強(qiáng)。當(dāng)工作頻率為2.2THz時(shí)，模式雙折射達(dá)到7.19×10-2。同時(shí)，我們可以采用溫控或外加電磁場(chǎng)的方法來調(diào)節(jié)填充液體的折射率，因此該設(shè)計(jì)還具備可調(diào)諧的特性。對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
　　2、光纖功能器件設(shè)計(jì)方面：
　?。?）提出了一種構(gòu)建寬帶選擇性耦合器的方法——折射

4、率反轉(zhuǎn)匹配耦合法（Index Converse Matching Coupling method，ICMC）。該方法從色散曲線的調(diào)控入手，構(gòu)建滿足實(shí)際應(yīng)用需求的色散關(guān)系，再由其引導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。ICMC方法允許單偏振模式在寬工作頻段發(fā)生耦合，而另一個(gè)偏振模式的耦合被有效抑制。分離長(zhǎng)度等于匹配偏振模式的一個(gè)耦合長(zhǎng)度，因此在理論上有效的縮短了分離長(zhǎng)度，保證了低傳輸損耗。采用該方法設(shè)計(jì)的偏振分離器能夠同時(shí)滿足寬帶和低損耗的特性。
　　

5、（2）在ICMC方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于正交微結(jié)構(gòu)的雙芯光子晶體光纖偏振分離器。結(jié)果顯示，該器件在0.4-0.7THz頻段都能夠?qū)崿F(xiàn)偏振分離。當(dāng)入射光為0.4THz時(shí)分離長(zhǎng)度僅為1.83cm，吸收損耗為0.34dB。當(dāng)入射光頻率f>0.51THz,x,y兩個(gè)偏振模式的消光比都小于-15dB。該偏振分離器同時(shí)具備寬帶和低損耗的特點(diǎn)。
　?。?）針對(duì)微結(jié)構(gòu)纖芯光子晶體光纖難于拉制的問題，提出了一種基于雙多孔光纖的太赫茲偏振分離器。

6、提出采用實(shí)/空芯波導(dǎo)管隔層間插密堆積的光纖拉制方法。由這種光纖構(gòu)成的偏振分離器在0.8-2.2THz均可實(shí)現(xiàn)偏振分離。在1THz，分離長(zhǎng)度僅為0.61cm,x,y兩個(gè)偏振模式的吸收損耗系數(shù)都小于0.11dB，消光比分別為-15.44dB和-14.39dB。該設(shè)計(jì)具有寬帶、低損耗、易于加工的優(yōu)點(diǎn)。
　?。?）為解決多孔光纖易受環(huán)境干擾的問題，設(shè)計(jì)了一種基于懸浮式雙芯多孔光纖的太赫茲偏振分離器。結(jié)果顯示，采用波導(dǎo)管環(huán)繞的方式增加對(duì)稱包

7、層，器件的分離長(zhǎng)度、吸收損耗和消光比只發(fā)生微小變化。在1THz，分離長(zhǎng)度為0.66cm,x,y兩偏振模式的實(shí)際吸收損耗都小于0.12dB，消光比分別為-14.64dB和-14.84dB。該設(shè)計(jì)很好的解決了多孔光纖器件易受環(huán)境干擾的問題。
　?。?）為實(shí)現(xiàn)器件的可調(diào)諧特性，提出了一種基于隔行填充多孔光纖的太赫茲偏振分離器，通過調(diào)節(jié)填充液體的折射率來實(shí)現(xiàn)兩根光纖y偏振模式的匹配。結(jié)果表明，該偏振分離器在0.8-2.5THz頻率范圍內(nèi)都

8、能夠?qū)崿F(xiàn)偏振分離。在1THz，分離長(zhǎng)度為0.77cm,x,y兩偏振模式奇模和偶模的吸收損耗都小于0.2dB，消光比分別為-12.73dB和-13.70dB。該設(shè)計(jì)具有寬帶、低損耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)。
　　3、太赫茲光纖傳感方面：利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)聚合物空芯波導(dǎo)管進(jìn)行了偏振傳感的實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試了空芯PMMA波導(dǎo)管的反諧振傳導(dǎo)模式，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；在此基礎(chǔ)上，通過在波導(dǎo)管的外壁刻蝕不同結(jié)構(gòu)的光柵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太