新型微结构聚合物光纤的设计及传输特性分析--《中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)》2012年博士论文
新型微结构聚合物光纤的设计及传输特性分析
【摘要】：微结构聚合物光纤既有微结构光纤的无限单模、色散可调、低非线性和高双折射等奇异的特性，又具备聚合物光纤的加工温度低、制备方法多、质量轻、挠性好和原材料价格低廉等诸多优点。具有新结构或者以新材料为基质的微结构聚合物光纤及其器件在光纤通信、光纤传感、非线性光学以及太赫兹波导等领域有着广阔的应用前景。本文从理论上设计了几种具有新颖微结构的聚合物光纤，并对其传输特性进行了模拟和分析。本论文的主要研究内容如下：
（1）基于全矢量有限元方法，建立了对微结构聚合物光纤的单模特性、色散和损耗特性进行分析的理论模型。以新型光学聚合物材料——环烯烃共聚物（TopasCOC）为基质材料，设计了三角形晶格、折射率引导型的微结构聚合物光纤。计算了其基模有效折射率、模场面积和数值孔径，并研究了结构参数对模场分布、单模特性和色散特性的影响。获得了具有极大/小模场面积和无限单模传输的光纤结构参数。研究结论证明所采用的理论模型和方法是准确有效的。
（2）设计了具有“缺陷芯”和椭圆形包层空气孔的折射率引导型Topas微结构聚合物光纤。分别通过芯区的小空气孔和椭圆包层孔来增强波导色散的调节作用和引入高双折射。该微结构聚合物光纤兼具超平坦近零色散和高双折射特性：在1.1~1.7μm波长范围内的色散为±0.5ps/km/nm，双折射值达到10-3数量级，同时具备较小的限制损耗和有效模场面积。该研究成果可以为微结构聚合物光纤在色散控制、偏振保持和非线性光学等方面的应用提供了理论指导。
（3）以Topas COC为基质材料，设计了基于光子带隙效应导光的的空芯微结构聚合物光纤。通过缺失四个相邻的空气孔形成了近似菱形的圆角空气芯，有效克服了材料吸收损耗，并且引入了高双折射。对光纤传导模式、双折射特性和限制损耗的研究结果表明该微结构聚合物光纤在带隙的中心波长附近：具有10-3量级的高相位双折射和10-2量级的高群双折射；由于模式泄露导致的限制损耗小于0.1dB/km。
（4）通过在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基质的折射率引导型微结构聚合物光纤包层空气孔中填充高折射率液晶材料，获得了热可调的带隙型微结构光纤。由E7液晶填充的光纤室温时在1.55μm附近具有约600nm的带宽。在15~35°C范围内带隙上边界的温度灵敏度为-5.5nm/°C。由5CB液晶填充的光纤在25.1~34.8°C范围内，带隙上边界的温度灵敏度高达27.8nm/°C。所设计的液晶填充微结构聚合物光纤工作在带隙中心波长附近时，与未填充液晶的部分具有高达99%的耦合效率。研究结论为微结构聚合物光纤在温度传感领域的应用及各种可调光纤器件的制备提供了理论参考。
（5）利用Topas COC在太赫兹波段的低吸收损耗和低材料色散特性，设计了用于传输太赫兹波的多孔型和空芯带隙型微结构聚合物纤维。采用这两种结构旨在通过聚合物纤维引导太赫兹波传输的同时，尽量降低材料吸收损耗。多孔型微结构聚合物纤维可以将大部分的基模模场分布在横截面内一系列的亚波长空气孔中传输，在0.4~1.5THz范围内获得了0.2cm-1的低损耗和1.8±0.3ps/THz/cm的低色散。空芯带隙型微结构聚合物纤维在1.47THz附近具有宽度约为0.2THz的连续低损耗带宽，总损耗的最小值为0.13cm-1，出现在1.51THz附近。所设计的微结构纤维兼顾了结构简单、易于制备的特点，可以借助我们课题组独创的挤出-成型法制备。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN253【目录】：
摘要3-5Abstract5-10第一章 绪论10-31 1.1 微结构光纤概述10-16
1.1.1 光子晶体简介10-11
1.1.2 微结构光纤的概念和分类11-13
1.1.3 微结构光纤的导光机理13-16 1.2 微结构光纤的特性及应用16-21
1.2.1 无截止单模传输特性16
1.2.2 色散可调特性16-17
1.2.3 高双折射特性17-19
1.2.4 非线性特性19-20
1.2.5 损耗特性20-21 1.3 微结构聚合物光纤21-29
1.3.1 微结构聚合物光纤概述21-24
1.3.2 微结构聚合物光纤的制备方法24-27
1.3.3 微结构聚合物光纤的发展现状及应用前景27-29 1.4 本文主要研究内容29-31第二章 有限元理论模型及其在微结构聚合物光纤中的应用31-45 2.1 微结构光纤的研究方法概述31-33 2.2 有限元模型33-38
2.2.1 有限元模型的分析过程33-34
2.2.2 全矢量有限元模型34-38 2.3 有限元模型在微结构聚合物光纤中的应用38-44
2.3.1 材料特性及光纤结构38-40
2.3.2 全矢量有限元模拟结果40-44 2.4 本章小结44-45第三章 超平坦近零色散高双折射 Topas 微结构聚合物光纤的优化设计45-56 3.1 引言45-46 3.2 光纤结构设计与优化46-50
3.2.1 超平坦近零色散光纤结构的设计46-49
3.2.2 高双折射的引入及结构优化49-50 3.3 计算结果与讨论50-54
3.3.1 色散特性50-51
3.3.2 双折射特性51-53
3.3.3 限制损耗及有效模场面积53-54 3.4 本章小结54-56第四章 带隙型高双折射 Topas 微结构聚合物光纤的设计及特性分析56-73 4.1 引言56-57 4.2 光纤结构设计57-61
4.2.1 包层结构和带隙特性57-59
4.2.2 纤芯结构设计59-60
4.2.3 双折射的引入60-61 4.3 计算结果与讨论61-71
4.3.1 纤芯介质环厚度对光纤特性的影响62-65
4.3.2 双折射特性65-70
4.3.3 限制损耗70-71 4.4 本章小结71-73第五章 热可调液晶填充微结构聚合物光纤的特性分析73-88 5.1 引言73-74 5.2 液晶材料特性74-77
5.2.1 液晶简介74-75
5.2.2 E7 和 5CB 液晶的折射率75-77 5.3 液晶填充微结构聚合物光纤的设计77-78 5.4 计算结果与讨论78-87
5.4.1 E7 液晶填充微结构聚合物光纤的热可调特性78-83
5.4.2 5CB 液晶填充微结构聚合物光纤的热可调特性83-87 5.5 本章小结87-88第六章 低损耗太赫兹 Topas 微结构聚合物纤维的设计88-103 6.1 引言88-89 6.2 多孔型太赫兹 Topas 微结构聚合物纤维的设计89-96
6.2.1 结构设计89-90
6.2.2 特性分析90-96 6.3 空芯带隙型太赫兹 Topas 微结构聚合物纤维的设计96-101
6.3.1 结构设计96-97
6.3.2 特性分析97-101 6.4 本章小结101-103第七章 总结和展望103-106 7.1 本论文工作总结103-104 7.2 未来研究展望104-106参考文献106-126致谢126-127攻读博士学位期间的研究成果127-128
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