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复合微纳光纤器件的理论建模与应用研究

 
【摘要】:集成电路特征尺寸日益减小,使其工艺特征尺寸也从最初的毫米量级发展到如今的纳米量级——越来越接近电学物理的极限尺寸。传统的电学信息处理能力的优化空间遇到了瓶颈。与此同时,随着“物联网”时代的到来,人们对于大带宽以及高速率通信的需求上升到了一个新的台阶。因此,如何尽快突破传统电子信息处理技术的发展瓶颈成为了科研工作者需要解决的首要问题。微纳光纤作为微纳光子器件中最基本的传输单元,由于其强光场束缚、大比例倏逝场、大波导色散、弯曲半径小等优良特性,在微纳尺度下光信号的产生、耦合、传输、谐振、放大、调制、传感等研究领域均具有潜在应用价值。然而,由于材料和结构单一性的限制,仅仅依靠二氧化硅微纳光纤已经越来越难以满足人们对微纳光子器件日益增长的需求。因此,解决微纳光纤结构和材料单一性的问题,使微纳光纤具有更为丰富的功能特性,对满足更多微纳光子器件的实际需求有重要意义。本文将微纳光纤结构功能化与材料功能化相结合,提出了具有不同功能的复合微纳光纤器件,并将其应用于微纳光纤全光调谐技术以及微纳光纤温度传感领域中。主要研究内容包括:1、对微纳光纤光学的传输基本理论进行了研究。从求解Maxwell方程组入手对微纳光纤的基本传输特性进行了理论分析与推导,研究了不同直径微纳光纤的表面倏逝场分布。以耦合模理论为基础结合光束传播法对微纳光纤的耦合机理进行了分析,重点研究了不同耦合条件下的侧向耦合特性,为微纳光纤耦合型结构器件的制作提供了理论基础。分析了微纳光纤锥形过渡区域的模式传输特性,锥形过渡区域的导模方程,对绝热条件以及锥形过渡区域的结构进行了详细的分析与讨论。详细总结了微纳光纤的损耗问题,为设计与制作光学性能良好的微纳光纤器件提供理论指导。2、研究了石墨烯复合微纳光纤全光可调器件。首先详细介绍了低损耗微纳光纤的制备方法,并研究了石墨烯对微纳光纤倏逝场的影响。接着对比了石墨烯转移到微纳光纤的不同方法。最后提出并通过实验验证了一种基于石墨烯复合微纳光纤结构的全光可调马赫曾德干涉仪。为了优化制造工艺,提高调谐效率,采用三明治结构的石墨烯复合微纳光纤。当高功率泵浦光对器件的调制区域进行外部照射时,石墨烯的欧姆加热可以有效地改变微纳光纤的折射率。最终得到的谐振波长漂移的调制效率为0.856 pm/mW。与只结合底层石墨烯薄膜的微纳光纤马赫曾德干涉仪结构相比,该结构谐振波长漂移的调制效率提高了6倍。值得注意的是,其谐振波长的红移量可以超过一个自由光谱范围,这意味着器件的谐振波长可以在透明窗口的范围内调整至任意波长。同时,该器件的有效尺寸约为7.31×8.66 mm~2,比其它已报道的基于光纤系统的全光可调马赫曾德干涉仪小几个量级。3、研究了聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合微纳光纤温度传感器。介绍了PDMS的一些基本特性以及制备方法,并对其性能进行了简单的分析。接着介绍了一种基于覆盖型PDMS复合微纳光纤环形谐振器的温度传感器,该传感器的基本传感单元为微纳光纤环形谐振器,因此通过散射矩阵模型分析了微纳光纤环形谐振器的传输特性与重要参数之间的关系。该器件的传感区域将两片PDMS薄膜与微纳光纤相结合形成具有三明治结构的覆盖型PDMS复合微纳光纤。PDMS较高的负热光系数保证了该温度传感器具有较高的灵敏度(可达-75.78 pm/~oC)。最后提出并介绍了一种基于包裹型PDMS复合微纳光纤环形谐振器耦合马赫曾德干涉仪的温度传感器。该器件的直臂完全包裹在PDMS中,从而形成器件的传感区域。该器件有效面积约为12.59×3.01 mm~2。通过散射矩阵法建立了该器件的理论模型,并分析了各个参数与器件性能之间的关系。由于PDMS的热光系数较高,器件的传输光谱将随环境温度的升高而蓝移。同时,该器件可以在两种不同的环境(空气和液体)中分别对温度进行有效的监测。此外,PDMS不仅可以作为热敏材料,还可以防止传感区域受到周围物质如灰尘、湿度和划痕等因素的影响,延长器件的使用寿命。4、讨论了基于液体封装复合微纳光纤温度传感技术的研究。介绍了微纳光纤模式干涉仪的传输特性,通过分析器件参数对其传输特性的影响进一步研究了微纳光纤模式干涉仪的传感特性。并在理论分析的基础上通过实验验证了基于液体封装复合微纳光纤模式干涉仪的温度传感特性。由于去离子水具有较高的负热光系数,保证了该温度传感器具有较高的灵敏度(可达-258.73 pm/~oC)。同时液体封装的方式对器件起到了保护作用,使其避免因外界环境变化引起的形变,大大提高了器件的机械稳定性。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN253

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