微結構低損耗太赫茲光纖及光纖傳感技術研究.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波傳輸和傳感檢測系統(tǒng)的一個重要部件。由于常用的光纖材料對THz波的本征吸收系數較大，設計具有低損耗、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。
　　微結構光纖表面等離子體共振傳感器具有靈敏度高、免標記及檢測快速等優(yōu)點，但基于微結構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，從而限制了傳感器靈敏度的提高。
　　針對光纖傳感器存在的以上難題，本文運用數值分析方法，重點研究了基于微結構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鍵器件。主要研究內容歸納如下:
　　1.低損耗懸掛空芯THz光纖
　　亞波長THz光纖可實現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，以等寬度介質層為組成結構，組成以空氣為主體的簡單結構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。這種結構通過調整介質層間距即可實現對THz傳輸損耗的調節(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調整傳輸損耗的缺點。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。保持橫向介質層厚度不變，調節(jié)縱向介質層厚度即可獲得低損耗高雙折射THz波傳輸，雙折射可達10-2量級。以傳統(tǒng)方法設計的THz偏振分束器存在器件尺寸大，損耗高的缺點。我們發(fā)現以懸掛空芯結構組成的

4、雙芯THz光纖，其耦合特性具有強的偏振相關性，基于此原理可實現低損耗的THz偏振分束。
　　2.低損耗十字架型THz光纖
　　傳統(tǒng)的全內反射型微結構光纖其纖芯尺寸均大于包層支撐條寬度，以形成全內反射傳導機制。本文首次提出了一種纖芯與包層無明顯劃分區(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，從而形成等效的全內反射傳導。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光纖厚一倍的介質層和更大的介質圓環(huán)內直徑，且具有光纖結構簡單，便于制作，易獲得寬帶THz波傳輸的特點。簡單改變其中一個介質層的厚度，即可實現低損耗、高雙折射傳輸的目的，增加一個介質層即可獲得雙芯結構。研究表明:雙芯十字架型THz光纖呈現出單偏振耦合特性，即其中一個偏振?？梢酝耆话l(fā)生耦合，而另一偏振產生低損耗耦合，呈現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)現十字架型光纖同樣可以應用近紅外

6、波段，通過簡單地改變十字架型光纖橫向和縱向介質層的夾角就可以用使光纖兩偏振模的損耗差別增大。基于此現象可以實現單偏振單模的光傳輸。這種結構不存在偏振耦合現象，具有大的空氣占空比，有利于傳感應用時，進行液體、氣體填充，并與傳輸光產生強的相互作用，實現高精度的傳感應用。
　　4.基于雙層環(huán)形孔包層的微結構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)形孔包層的微結構光纖表面等離子體共振傳感器，采用小纖芯結構，使纖芯基模