微納光纖的反射特性及其光子學(xué)器件應(yīng)用.pdf

1、近年來，微型化已經(jīng)成為光子學(xué)器件的重要發(fā)展趨勢之一，人們不斷提出并實現(xiàn)了各種新型的小尺寸、高性能、高密度集成的微納光子學(xué)器件。微納光纖作為典型的微納光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之一，由于其具有制備簡單、損耗低、直徑均勻性好、表面粗糙度小、機械強度高、強倏逝場和強約束等優(yōu)點，在微納光子學(xué)器件方面具有潛在的應(yīng)用前景，已經(jīng)吸引了越來越多研究者的關(guān)注。
　　 本文首先在研究了無限長微納光纖的基模電磁場分布、坡印亭矢量、芯內(nèi)外能量分布等導(dǎo)波特性的基礎(chǔ)上，結(jié)

2、合Rayleigh-Gans散射理論提出了一種基于微納光纖倏逝場散射特性的納米顆粒傳感器模型．計算結(jié)果表明，通過測量由微納光纖表面近場范圍內(nèi)的納米顆粒Rayleigh-Gans散射引起的光纖傳導(dǎo)能量的變化，可以達到探測光纖周圍單個或多個單分子量級納米顆粒的靈敏度。
　　 在上述研究中，由于未涉及光纖的端面效應(yīng)，因此我們假設(shè)光纖是無限長的。近年來，隨著光子學(xué)器件小型化的發(fā)展，許多基于微納光纖端面效應(yīng)的微納光子學(xué)器件，如微納米光源、

3、激光器、全光開關(guān)等不斷得以實現(xiàn)和發(fā)展。對于這些依靠或涉及端面效應(yīng)的器件，必須考慮微納光纖端面輸出和反射所帶來的物理效應(yīng)。
　　 在論文的第二部分，我們利用三維時域有限差分法，對垂直端面、傾斜端面和拉錐端面等不同端面形狀的微納光纖的端面輸出和反射特性進行了詳細研究，包括端面輸出模場分布，近場輸出的光束寬度及端面反射率等。計算結(jié)果表明，對于一根亞波長直徑的光纖，可以將其近場輸出的光能量約束到波長范圍內(nèi)。同時，具有傾斜、球形以及拉錐端

4、面的微納光纖也表現(xiàn)出與相同端面形狀的標準單模光纖不同的端面特性。此外，對端面反射率的計算結(jié)果表明，即使是高折射率的微納光纖，其端面反射效率也不超過10％（對于基模），而且這個反射率隨著光纖或納米線直徑的減小而迅速降低，使其在依賴端面反射腔的納米激光器等應(yīng)用方面受到限制。
　　 針對微納光纖端面反射效率較低的問題，在論文的第三部分我們提出了一種基于微納光纖倏逝波耦合的Sagnac環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但保持了微納光纖的小尺寸優(yōu)勢，而

5、且反射效率可以自由調(diào)節(jié)。我們從實驗上制作了基于兩個微光纖Sagnac環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)的Fabry-Pérot諧振腔（F-P腔），并測試了其諧振特性。實驗結(jié)果顯示，該諧振腔的品質(zhì)因子（Q值）可以達到5700，自由光譜范圍（FSR）約為0.88nm，消光比可達18dB。單個反射鏡的反射率可達48％，這是依靠單根微納光纖端面反射不可能實現(xiàn)的。此外，我們通過顯微鏡下的微納操縱，實現(xiàn)了諧振腔的Q值、FSR和消光比的調(diào)節(jié)。這種F-P腔結(jié)構(gòu)具有尺寸小、易于