微結(jié)構(gòu)低損耗太赫茲光纖及光纖傳感技術(shù)研究.pdf

1、與石英光纖相似，太赫茲(Terahertz，THz)光纖及定向耦合器件是THz波傳輸和傳感檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要部件。由于常用的光纖材料對(duì)THz波的本征吸收系數(shù)較大，設(shè)計(jì)具有低損耗、免受外界環(huán)境干擾和便于控制的THz光纖及光纖定向耦合器件非常困難。
　　微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器具有靈敏度高、免標(biāo)記及檢測(cè)快速等優(yōu)點(diǎn)，但基于微結(jié)構(gòu)光纖制備的表面等離子體共振傳感器往往存在纖芯模式與表面模不易匹配、表面等離子體模透入分析液的深度低的缺

2、點(diǎn)，從而限制了傳感器靈敏度的提高。
　　針對(duì)光纖傳感器存在的以上難題，本文運(yùn)用數(shù)值分析方法，重點(diǎn)研究了基于微結(jié)構(gòu)的太赫茲光纖及偏振分束器、光纖表面等離子體共振傳感器以及單偏振單模光纖等關(guān)鍵器件。主要研究?jī)?nèi)容歸納如下:
　　1.低損耗懸掛空芯THz光纖
　　亞波長(zhǎng)THz光纖可實(shí)現(xiàn)THz低損耗傳輸，但傳輸過程易受外界環(huán)境干擾。本文提出一種新型懸掛芯光纖，以等寬度介質(zhì)層為組成結(jié)構(gòu)，組成以空氣為主體的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)THz光纖，利用高

3、平均折射率區(qū)形成纖芯，低平均折射率區(qū)形成包層。這種結(jié)構(gòu)通過調(diào)整介質(zhì)層間距即可實(shí)現(xiàn)對(duì)THz傳輸損耗的調(diào)節(jié)，克服了之前懸掛芯光纖必須通過減小支撐條寬度及纖芯尺寸來(lái)調(diào)整傳輸損耗的缺點(diǎn)。這種懸掛空芯THz光纖還具有可以獲得高雙折射傳輸及組成雙芯光纖的優(yōu)點(diǎn)。保持橫向介質(zhì)層厚度不變，調(diào)節(jié)縱向介質(zhì)層厚度即可獲得低損耗高雙折射THz波傳輸，雙折射可達(dá)10-2量級(jí)。以傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的THz偏振分束器存在器件尺寸大，損耗高的缺點(diǎn)。我們發(fā)現(xiàn)以懸掛空芯結(jié)構(gòu)組成的

4、雙芯THz光纖，其耦合特性具有強(qiáng)的偏振相關(guān)性，基于此原理可實(shí)現(xiàn)低損耗的THz偏振分束。
　　2.低損耗十字架型THz光纖
　　傳統(tǒng)的全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖其纖芯尺寸均大于包層支撐條寬度，以形成全內(nèi)反射傳導(dǎo)機(jī)制。本文首次提出了一種纖芯與包層無(wú)明顯劃分區(qū)域的新型光纖，即十字架型THz光纖，分析并證實(shí)了其傳光原理是基于光纖徑向等效折射率從中心向外呈遞減趨勢(shì)，從而形成等效的全內(nèi)反射傳導(dǎo)。在同樣的損耗要求下，這種光纖可采用比典型懸掛芯T

5、Hz光纖厚一倍的介質(zhì)層和更大的介質(zhì)圓環(huán)內(nèi)直徑，且具有光纖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制作，易獲得寬帶THz波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。簡(jiǎn)單改變其中一個(gè)介質(zhì)層的厚度，即可實(shí)現(xiàn)低損耗、高雙折射傳輸?shù)哪康?，增加一個(gè)介質(zhì)層即可獲得雙芯結(jié)構(gòu)。研究表明:雙芯十字架型THz光纖呈現(xiàn)出單偏振耦合特性，即其中一個(gè)偏振?？梢酝耆话l(fā)生耦合，而另一偏振產(chǎn)生低損耗耦合，呈現(xiàn)出與一般雙芯光纖完全不同的耦合特性。
　　3.單偏振單模光纖
　　研究發(fā)現(xiàn)十字架型光纖同樣可以應(yīng)用近紅外

6、波段，通過簡(jiǎn)單地改變十字架型光纖橫向和縱向介質(zhì)層的夾角就可以用使光纖兩偏振模的損耗差別增大。基于此現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)單偏振單模的光傳輸。這種結(jié)構(gòu)不存在偏振耦合現(xiàn)象，具有大的空氣占空比，有利于傳感應(yīng)用時(shí)，進(jìn)行液體、氣體填充，并與傳輸光產(chǎn)生強(qiáng)的相互作用，實(shí)現(xiàn)高精度的傳感應(yīng)用。
　　4.基于雙層環(huán)形孔包層的微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器
　　本文首次提出了一種雙層環(huán)形孔包層的微結(jié)構(gòu)光纖表面等離子體共振傳感器，采用小纖芯結(jié)構(gòu)，使纖芯基模