太赫茲聚合物光纖及其功能器件的研究.pdf

1、太赫茲科學技術是近年來的研究熱點。太赫茲輻射源、探測技術和功能器件等基礎研究領域已取得了巨大的進步，并大大促進了太赫茲應用技術的發(fā)展。然而，當前普遍采用的太赫茲光路系統(tǒng)存在體積龐大、成本高、穩(wěn)定性差等缺點。將太赫茲系統(tǒng)“柔性化”、“小型化”、“集成化”是目前迫切需要解決的問題。設計出像光纖通信系統(tǒng)一樣集成化、多功能、便于攜帶和維護的太赫茲系統(tǒng)，是研究人員不斷努力的方向和目標。太赫茲聚合物光纖波導和功能器件是構成柔性化太赫茲系統(tǒng)的重要組成

2、部分，對它們的研究具有極其重要的意義。
　　本文首先對研究背景進行了簡介；然后對光纖波導研究的理論基礎——模式理論進行了探討，并給出有限元方法的基本原理和采用專業(yè)數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics進行模式分析的具體方法和步驟。在此基礎上，圍繞太赫茲聚合物光纖波導、功能器件和傳感三個領域分別展開研究。取得的主要研究成果如下：
　　1、太赫茲光纖波導方面：對聚合物高雙折射光纖進行了研究。提出了一種通過對三角晶格多

3、孔光纖隔行分層填充液體來獲得超高模式雙折射的方法。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過隔行分層填充液體的后處理操作，普通多孔光纖能夠實現(xiàn)超高的模式雙折射，且光纖對模場的限制能力更強。當工作頻率為2.2THz時，模式雙折射達到7.19×10-2。同時，我們可以采用溫控或外加電磁場的方法來調節(jié)填充液體的折射率，因此該設計還具備可調諧的特性。對實際應用具有重要意義。
　　2、光纖功能器件設計方面：
　?。?）提出了一種構建寬帶選擇性耦合器的方法——折射

4、率反轉匹配耦合法（Index Converse Matching Coupling method，ICMC）。該方法從色散曲線的調控入手，構建滿足實際應用需求的色散關系，再由其引導器件的結構設計。ICMC方法允許單偏振模式在寬工作頻段發(fā)生耦合，而另一個偏振模式的耦合被有效抑制。分離長度等于匹配偏振模式的一個耦合長度，因此在理論上有效的縮短了分離長度，保證了低傳輸損耗。采用該方法設計的偏振分離器能夠同時滿足寬帶和低損耗的特性。
　　

5、（2）在ICMC方法的基礎上，提出了一種基于正交微結構的雙芯光子晶體光纖偏振分離器。結果顯示，該器件在0.4-0.7THz頻段都能夠實現(xiàn)偏振分離。當入射光為0.4THz時分離長度僅為1.83cm，吸收損耗為0.34dB。當入射光頻率f>0.51THz,x,y兩個偏振模式的消光比都小于-15dB。該偏振分離器同時具備寬帶和低損耗的特點。
　?。?）針對微結構纖芯光子晶體光纖難于拉制的問題，提出了一種基于雙多孔光纖的太赫茲偏振分離器。

6、提出采用實/空芯波導管隔層間插密堆積的光纖拉制方法。由這種光纖構成的偏振分離器在0.8-2.2THz均可實現(xiàn)偏振分離。在1THz，分離長度僅為0.61cm,x,y兩個偏振模式的吸收損耗系數(shù)都小于0.11dB，消光比分別為-15.44dB和-14.39dB。該設計具有寬帶、低損耗、易于加工的優(yōu)點。
　?。?）為解決多孔光纖易受環(huán)境干擾的問題，設計了一種基于懸浮式雙芯多孔光纖的太赫茲偏振分離器。結果顯示，采用波導管環(huán)繞的方式增加對稱包

7、層，器件的分離長度、吸收損耗和消光比只發(fā)生微小變化。在1THz，分離長度為0.66cm,x,y兩偏振模式的實際吸收損耗都小于0.12dB，消光比分別為-14.64dB和-14.84dB。該設計很好的解決了多孔光纖器件易受環(huán)境干擾的問題。
　?。?）為實現(xiàn)器件的可調諧特性，提出了一種基于隔行填充多孔光纖的太赫茲偏振分離器，通過調節(jié)填充液體的折射率來實現(xiàn)兩根光纖y偏振模式的匹配。結果表明，該偏振分離器在0.8-2.5THz頻率范圍內都

8、能夠實現(xiàn)偏振分離。在1THz，分離長度為0.77cm,x,y兩偏振模式奇模和偶模的吸收損耗都小于0.2dB，消光比分別為-12.73dB和-13.70dB。該設計具有寬帶、低損耗、結構簡單、可調諧等優(yōu)點。
　　3、太赫茲光纖傳感方面：利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)對聚合物空芯波導管進行了偏振傳感的實驗研究。測試了空芯PMMA波導管的反諧振傳導模式，并與理論計算結果進行了對比分析；在此基礎上，通過在波導管的外壁刻蝕不同結構的光柵，實現(xiàn)了對太