基于雙曲線超材料和帶隙結(jié)構(gòu)的新型空芯波導(dǎo)的理論與實驗研究.pdf

1、空芯波導(dǎo)由于其空氣芯子結(jié)構(gòu)，具備若干傳統(tǒng)實芯波導(dǎo)所不具備的光學(xué)性質(zhì)，并成為一個十分獨特的光波導(dǎo)類型?？招静▽?dǎo)為大容量高速通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、中紅外/太赫茲(Terahertz，THz)系統(tǒng)、高功率激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展開啟了一扇新穎的大門?？招静▽?dǎo)的芯子折射率為1，而自然界中常見介質(zhì)的折射率高于1、且金屬波導(dǎo)表面的損耗系數(shù)非常高，因此空芯波導(dǎo)的導(dǎo)光機制往往不同于常見固體實芯波導(dǎo)所采用的全反射原理。為將電磁波束縛在低折射率芯子中傳輸，空芯波

2、導(dǎo)的包層需采用新型材料或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文利用金屬絲型雙曲線超材料和帶隙結(jié)構(gòu)作為波導(dǎo)包層，針對用于THz輻射單模操控、THz波段以及光通信波段軌道角動量(orbital angular momentum，OAM)傳輸?shù)男滦涂招静▽?dǎo)，開展了一系列深入的理論、仿真與實驗研究。歸納本文取得的主要創(chuàng)新成果如下:
　　1、提出了一種基于金屬絲雙曲線超材料包層的空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過聯(lián)合運用解析公式和數(shù)值模型，該波導(dǎo)的雙曲線超材料包層反射橫磁(t

3、ransverse magnetic，TM)偏振波，而透射橫電偏振波，即該波導(dǎo)僅支持TM模式在波長尺寸的空氣芯子中穩(wěn)定傳輸。與傳統(tǒng)金屬型THz波導(dǎo)相比，雙曲線超材料波導(dǎo)的單模工作窗口擴大了一倍以上;與目前常見的介質(zhì)型多模THz波導(dǎo)相比，雙曲線超材料單模波導(dǎo)的芯子尺寸降低為波長量級。數(shù)值模型仿真結(jié)果顯示，雙曲線超材料包層中僅需一圈金屬絲即可有效實現(xiàn)TM模式的傳輸，大大簡化了波導(dǎo)制作工藝;
　　2、根據(jù)金屬絲雙曲線超材料的特殊光學(xué)性質(zhì)

4、，優(yōu)化、制作并實驗測試了一種寬帶、單模、徑向偏振的空芯THz波導(dǎo)。通過數(shù)值仿真，該波導(dǎo)的單模傳輸窗口是介質(zhì)鍍膜金屬波導(dǎo)（相同芯子尺寸）的2.3倍。徑向偏振TM模式在單模傳輸窗口頻率范圍內(nèi)的傳輸損耗可低至0.28dB/cm。通過使用THz時域光譜系統(tǒng)，制作的波導(dǎo)在0.31-0.44THz內(nèi)支持波長尺寸（芯子直徑0.88mm）單模傳輸。采用透射譜測試、近場模式成像兩個實驗驗證了金屬絲包層在單模窗口內(nèi)僅反射徑向偏振的TM模式，與理論結(jié)果吻合;

5、
　　3、通過在金屬絲雙曲線超材料包層中對稱地將部分金屬絲替換為空氣孔，提出并分析了一種線偏振、單模空氣孔/金屬絲混合包層空芯THz波導(dǎo)。通過優(yōu)化設(shè)計，混合包層波導(dǎo)在單模、單線偏振窗口(0.36-0.46THz)內(nèi)的傳輸損耗為0.27dB/cm左右，且與其它泄漏模式損耗的比值低至10-2量級。由于雙曲線超材料對波長尺寸芯子（芯子直徑1mm）中TM模式的強束縛能力，當(dāng)彎曲半徑高于5cm時，波導(dǎo)在0.4THz的彎曲損耗低于0.3dB/

6、cm。波導(dǎo)支持的低損耗線偏振模式可直接通過常用的高斯光束激勵，耦合效率高達(dá)67％，為徑向偏振模式耦合效率的兩倍以上;
　　4、提出并研究了OAM在空芯THz波導(dǎo)中的傳輸性能。著重分析了Kagome空芯THz波導(dǎo)中的高階模式與OAM模式。仿真結(jié)果顯示，在0.2-0.9THz頻率范圍內(nèi)，Kagome波導(dǎo)具有兩個反諧振傳輸窗口，并可支持共三階OAM模式。在第二個反諧振窗口內(nèi)(0.6-0.85THz)，OAM模式的純度均高于0.9。通過比

7、較波導(dǎo)包層中Kagome結(jié)構(gòu)的層數(shù)，分析了波導(dǎo)的束縛能力對OAM模式純度的影響。另外，討論了介質(zhì)鍍膜金屬THz波導(dǎo)和布拉格空芯THz波導(dǎo)中OAM模式傳輸?shù)奶匦?，并提出了以上兩種THz波導(dǎo)在OAM應(yīng)用中存在的局限性;
　　5、討論了空芯光子帶隙光纖（hollow-core photonic bandgap fiber,HC-PBGF）用于光波段OAM模式傳輸?shù)目尚行浴＠脭?shù)值仿真研究了不同芯子尺寸HC-PBGF中高階矢量模式和對應(yīng)O

8、AM模式的傳輸性能。對于7芯HC-PBGF，一階OAM模式低串?dāng)_（有效折射率差高于10-4）、低損耗（小于3dB/km）傳輸帶寬可達(dá)到240nm(1500-1740nm)，且在1710nm處OAM模式純度可達(dá)0.952。在19芯以及37芯HC-PBGF中，隨著芯子尺寸的增大，傳輸損耗降低、OAM模式數(shù)量增多、純度升高，但抗串?dāng)_性能降低。分析了非圓對稱芯子結(jié)構(gòu)對OAM模式的影響以及模場面積對OAM純度的影響。此外，討論了OAM傳輸對光纖制