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基于微纳米工艺技术的新型光纤模间干涉器件研究

作　者: 罗海梅
导　师: 李新碗
学　校: 上海交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 微纳米技术长周期光纤光栅锥形微纳米光纤模式耦合模间干涉仪
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微型化与集成化是近年来先进光子技术和器件的重要发展方向，微纳米工艺技术是实现光子器件微型化与集成化的基础。借助微纳米工艺技术，人们可以按照需求来设计制备具有优异性能的光纤微纳米结构和器件。同时，理论和实验的研究表明，随着功能结构尺度的减小，光纤器件的特性及性能等都表现出与传统宏观结构器件显著不同的特点。这些特异的物理性质具有广阔的实际应用和理论研究前景。本文以此为出发点，从理论和实验上分析了两种具有代表性的基于微纳米尺度结构的新型光纤模间干涉器件，包括其模式与耦合特性和相关微纳米工艺技术，论文详细研究和探讨了它们的工作原理、制备过程以及功能特性，同时通过与同类传统尺寸结构光纤器件的比较验证了基于微纳米技术的光纤模间干涉器件在性能上的优越性。本文的主要内容如下：第一章介绍了两种颇具代表性的模间干涉型光纤器件及其相关微纳米加工工艺。一种代表性模间干涉器件是光纤光栅，通过光纤表面和表层微纳米薄膜涂层工艺，可实现具有大范围可调谐特性的光纤光栅器件；另一种代表性模间干涉器件是锥形光纤，通过微纳米光纤制备工艺，可以获得具有高灵敏度传感特性的锥形微纳米光纤器件。第二章采用四层光纤模型理论分析了覆盖高折射率微纳米涂敷层的长周期光纤光栅的包层模特性，并通过耦合模理论对四层模型长周期光纤光栅谐振波长和频谱特性进行了分析；研究了谐振峰波长与涂敷层相关参数的关系，并分析了内包层厚度在提高长周期光纤光栅调谐范围方面的作用。第三章从理论上深入分析了具有弯曲结构的锥形微纳米光纤中的模式耦合及干涉特性。建立了局部弯曲的锥形微纳米光纤的数学模型，为理论分析提供所需的数学依据；并利用Matlab仿真工具采用数值分析法对不同弯曲半径下锥形微纳光纤中的模式耦合进行了分析；详细阐述了基于局部弯曲的锥形微纳米光纤的模间干涉仪的工作原理，分析了弯曲锥形微纳米光纤的几何参数对输出干涉波形的影响，并给出了参数优化的原则。第四章从实验上研究了覆盖微纳米液晶涂敷层的长周期光纤光栅的制备过程和大范围调谐特性。利用基于菲涅耳反射的折射率测量方法，对不同温度下的液晶折射率进行了测量和分析；采用简单的刷涂工艺在长周期光纤光栅表面制备了不同厚度的液晶涂敷层；通过实验研究了该光纤器件的热光特性和电光特性，并将仿真计算的结果与实验结果进行了比较。研究表明，覆盖约800nm厚度的液晶涂敷层的长周期光纤光栅在58°C-60°C的温度范围内会出现模式迁移现象，在此区域内，该光纤器件对温度具有非常高的响应灵敏度。文中利用这一特性，设计并实现了在特定温度下的长周期光纤光栅的大范围电光调谐，最大调谐范围达到约10nm。第五章从实验上详细研究了基于局部弯曲的锥形微纳光纤模间干涉仪的制备工艺和传感特性。利用实验室自制的微纳光纤拉伸系统制备了具有不同锥长和束腰直径的微纳光纤，并将其弯曲成一近似对称的‘C’形弯曲结构形成模间干涉仪；详细研究了它们的温度特性以及折射率和微位移传感特性。理论和实验的研究表明，当弯曲的锥形光纤的束腰直径约为1.92μm时，该模间干涉仪的传输谱基本不受环境温度的影响。该光纤器件的环境折射率传感灵敏度和微位移传感灵敏度分别为658nm/RIU (refractive index unit)和102pm/μm。该器件可用于高灵敏度传感。第六章对论文工作进行了总结和展望。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-33
  1.1 论文研究背景与意义  12-13
  1.2 典型光纤模间干涉器件的研究现状与发展趋势  13-17
    1.2.1 典型光纤模间干涉器件一：光纤光栅  13-15
    1.2.2 典型光纤模间干涉器件二：锥形光纤  15-17
  1.3 实现新型光纤模间干涉器件的微纳米工艺技术  17-25
    1.3.1 光纤表面和表层微纳米薄膜工艺  18-22
    1.3.2 微纳米光纤的加工工艺  22-25
  1.4 本文的研究思路与主要研究内容  25-27
    1.4.1 研究思路  25-26
    1.4.2 本文结构安排  26-27
  参考文献  27-33
第2章覆盖微纳米高折射率涂敷层的长周期光纤光栅的理论分析与模拟计算  33-49
  2.1 四层模型 LPFG 的模式耦合  33-37
    2.1.1 各包层模的有效折射率和传输常数  34
    2.1.2 耦合系数和耦合常数  34-36
    2.1.3 四层模型 LPFG 的模式耦合方程  36-37
    2.1.4 谐振条件  37
  2.2 四层模型 LPFG 的数值计算和模拟分析  37-46
    2.2.1 四层模型 LPFG 的透射谱的模拟计算方法  37-38
    2.2.2 高折射率微纳米涂敷层对 LPFG 模场分布的影响  38-43
    2.2.3 不同微纳米涂敷层折射率下的 LPFG 的频谱和大范围波长调谐  43-45
    2.2.4 LPFG 的包层半径对谐振峰漂移量的影响  45-46
  2.3 本章小结  46-47
  参考文献  47-49
第3章具有弯曲结构的锥形微纳光纤的理论分析与模拟计算  49-73
  3.1 锥形微纳光纤的结构模型  49-52
  3.2 直锥形微纳光纤的传输特性  52-61
    3.2.1 束腰区微纳光纤的基本特性  53-57
    3.2.2 直锥形过渡区域的基本理论  57-60
    3.2.3 直锥形微纳光纤传输谱的模拟计算  60-61
  3.3 弯曲的锥形微纳光纤的传输特性  61-70
    3.3.1 弯曲的锥形过渡区域的绝热条件与非绝热条件  62
    3.3.2 非绝热弯曲的锥形过渡区域的模式耦合分析  62-68
    3.3.3 非绝热弯曲锥形微纳光纤的传输谱的模拟计算  68-70
  3.4 本章小结  70-71
  参考文献  71-73
第4章覆盖微纳米液晶涂覆层的长周期光纤光栅特性的实验研究  73-98
  4.1 液晶材料简介及其折射率测量  73-81
    4.1.1 液晶的特点及分类[1，2]  73-76
    4.1.2 液晶折射率的测量原理  76-77
    4.1.3 不同温度下液晶折射率的测量方法  77-81
    4.1.4 不同温度下液晶折射率的实验测量结果  81
  4.2 覆盖微纳米液晶涂覆层的 LPFG 器件的制备  81-85
    4.2.1 器件结构参数优化计算  82-84
    4.2.2 器件制备  84-85
  4.3 覆盖微纳米液晶涂覆层的 LPFG 器件的调谐特性研究  85-96
    4.3.1 热光调谐特性  85-90
    4.3.2 电光调谐特性  90-93
    4.3.3 特定温度下的大范围电光调谐特性  93-96
  4.4 本章小结  96
  参考文献  96-98
第5章基于弯曲结构锥形微纳米光纤的模间干涉仪特性的实验研究  98-129
  5.1 微纳米光纤拉伸系统及工艺简介  98-102
  5.2 微纳米光纤独特的物理特性  102-104
  5.3 基于弯曲结构的锥形微纳米光纤模间干涉仪的制备及传输谱特性  104-108
  5.4 基于弯曲结构的锥形微纳米光纤模间干涉仪的传感特性研究  108-126
    5.4.1 高灵敏度折射率传感特性  108-112
    5.4.2 温度特性  112-118
    5.4.3 微位移传感特性  118-126
  5.5 本章小结  126-127
  参考文献  127-129
第6章总结与展望  129-133
  6.1 本文主要工作  129-130
  6.2 本文主要创新点  130-131
  6.3 工作展望  131-133
致谢  133-134
攻读博士学位期间发表的学术论文目录  134-137
附件  137

基于微纳米工艺技术的新型光纤模间干涉器件研究

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