微結(jié)構(gòu)光纖模式控制機(jī)理和應(yīng)用研究.pdf

1、本論文結(jié)合了國家科技部973計劃、國家自然科學(xué)基金以及天津市自然科學(xué)基金等重點項目的研究內(nèi)容和目標(biāo)，契合當(dāng)前光纖技術(shù)及光纖化器件向小型化、集成化、多功能化演進(jìn)的宏觀趨勢和客觀要求，以微結(jié)構(gòu)光纖為研究對象，針對微結(jié)構(gòu)光纖中光波的傳導(dǎo)特性和模式控制及相應(yīng)傳感應(yīng)用展開了一系列深入、系統(tǒng)的理論和實驗研究。光纖中諸多線性、非線性光學(xué)現(xiàn)象和特性的根源均與光纖中的模式有關(guān)，因此深入研究微結(jié)構(gòu)光纖中的模式特性及其控制機(jī)理和技術(shù)，對于闡釋各種現(xiàn)象的深層次

2、物理機(jī)理、挖掘光纖新特性和新應(yīng)用、開發(fā)設(shè)計新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)等方面具有非常重要的意義。
　　論文首先概括敘述了不同類型微結(jié)構(gòu)光纖的發(fā)展歷程、特性、應(yīng)用，以及各種常用模式耦合和控制技術(shù)的原理和優(yōu)劣勢比較;接著論述了微結(jié)構(gòu)光纖的數(shù)值分析方法和各種模式控制技術(shù)的理論分析模型;然后按照光纖模式和傳導(dǎo)特性分析→模式激勵和控制實驗→機(jī)理分析→應(yīng)用研究的思路分別對全固光子帶隙光纖、全固態(tài)波導(dǎo)陣列微結(jié)構(gòu)光纖、簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖、高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖進(jìn)行

3、了理論和實驗研究。論文主要研究工作及取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　1.在利用平面波展開法和有限元法對全固光子帶隙光纖的模式特性和帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于全固光子帶隙光纖上集成非絕熱微錐和長周期光柵的在線式M-Z干涉儀，理論和實驗研究揭示了參與干涉的模式為纖芯基模和包層LP01超模，而且非絕熱微錐引起模式耦合的機(jī)理為光纖直徑急劇變化下帶隙的快速漂移;通過設(shè)計微錐和光柵的耦合效率，使得光柵的一個諧振峰在干涉光譜中得以

4、保留，利用光柵諧振峰和干涉峰對彎曲和溫度的響應(yīng)差異，實現(xiàn)了對彎曲和溫度的同時測量;利用干涉峰具有較高的溫度敏感性，制作成溫度傳感器，并研究了干涉各峰的溫度敏感度的差異性。
　　2.利用紫外曝光法在全固光子帶隙光纖上寫制出Bragg光柵，結(jié)合錯位熔接實現(xiàn)了前向傳導(dǎo)的包層LP01超模與后向傳導(dǎo)的LP01超模之間的諧振耦合，并同時獲得纖芯基模與包層LP01超模的M-Z干涉，利用Bragg光柵諧振峰和干涉峰對溫度的響應(yīng)差異，實現(xiàn)了對溫度的

5、差異化傳感。
　　3.理論研究了一種新型全固態(tài)波導(dǎo)陣列微結(jié)構(gòu)光纖的模式特性以及該光纖與單模光纖熔接時各種模式的激勵效率;然后利用紫外曝光法在該光纖上寫制出Bragg光柵，觀察到多波長諧振現(xiàn)象，利用模式激勵計算結(jié)果和相位匹配關(guān)系確定了各個諧振峰對應(yīng)的模式耦合關(guān)系;利用光柵諧振峰的波長和幅值對軸向應(yīng)變和彎曲的不同響應(yīng)，實現(xiàn)了軸向應(yīng)變和彎曲的同時測量。
　　4.通過對新型簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的模式和傳導(dǎo)特性的理論分析和實驗觀測，論證

6、了該光纖以及同類的耦合抑制型微結(jié)構(gòu)光纖的傳導(dǎo)機(jī)理應(yīng)為反諧振波導(dǎo)模型和耦合抑制效應(yīng)的共同作用;然后利用有限元法對不同直徑下簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖的約束損耗進(jìn)行了詳細(xì)分析，證明了通過增大纖芯直徑可以有效地降低該光纖的約束損耗，為該類光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)。
　　5.利用高頻CO2激光打標(biāo)技術(shù)成功在簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖上寫制出長周期光柵，實現(xiàn)了纖芯基模與LP11模式的耦合，通過對比實驗和相關(guān)理論揭示了光柵的形成機(jī)理應(yīng)為局域性微

7、彎而非光纖截面的變形，并利用該光柵實現(xiàn)了溫度不敏感的軸向應(yīng)變傳感。
　　6.利用簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖與單模光纖的錯位熔接，制作成在線式M-Z干涉儀。通過調(diào)節(jié)光纖之間的相對位置，在簡化空芯微結(jié)構(gòu)光纖中選擇性激發(fā)起強(qiáng)度相當(dāng)?shù)睦w芯基模和LP11模式，并抑制了其它模式的激勵，從而獲得干涉對比度高、條紋間隔均勻的干涉光譜。該干涉儀被制作成為一種溫度不敏感度的應(yīng)變傳感器。
　　7.理論研究了不同直徑下高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖的相雙折射和群雙折射