太赫茲波傳輸及光子晶體光纖溫度傳感的研究.pdf

1、太赫茲(THz)波的傳輸研究是其能夠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。一方面，研究THz波在大氣中的傳輸特性，將對(duì)其應(yīng)用到空間通信、大氣科學(xué)以及遙感等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響；另一方面，研究具有高雙折射的THz波導(dǎo)，將會(huì)使其在高比特率通信系統(tǒng)、高性能光器件、濾波器及傳感器等中得到廣泛應(yīng)用，具有實(shí)際意義。
　　 普通光纖存在偏振態(tài)漂移、模間干擾和交叉敏感等若干問題，使光纖傳感器的應(yīng)用受到了限制。光子晶體光纖(PCF)作為一種新型光纖，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈

2、活性以及性能的優(yōu)越性，應(yīng)用于傳感后有望克服上述缺點(diǎn)，正逐漸成為傳感領(lǐng)域的又一個(gè)研究方向。
　　 本文圍繞THz波傳輸和基于填充混合液體的PCF溫度傳感研究展開，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：
　　 1.分析了THz波大氣傳輸?shù)难芯扛艣r，包括大氣傳輸?shù)幕驹?，輻射傳輸方程的推?dǎo)以及對(duì)各類THz波大氣傳輸模型的比較，并指出尚待解決的問題，最后對(duì)THz輻射大氣傳輸研究給出了若干建議和展望。
　　 2.設(shè)計(jì)了一種新型的高雙

3、折射混合格子THz PCF，對(duì)其芯區(qū)亞波長尺寸的空氣孔采用三角形和長方形格子的混合排列，通過打破結(jié)構(gòu)對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)了高的模式雙折射。仿真結(jié)果表明：合理選擇光纖參數(shù)后，該THz PCF在很寬的頻率范圍內(nèi)，都具有較高的雙折射(達(dá)到10-2)和低的限制損耗，且通過改變某些光纖參數(shù)，可以靈活地控制光纖的模式雙折射或限制損耗特性。
　　 3.設(shè)計(jì)了一種具有大空氣芯的聚合物橢圓環(huán)波導(dǎo)，它可通過在某一方向擠壓普通圓形環(huán)波導(dǎo)得到。與之前報(bào)道的具有復(fù)

4、雜橫截面的空氣芯THz波導(dǎo)不同的是，我們所提出的聚合物橢圓形環(huán)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)非常簡單，易于制造。數(shù)值結(jié)果表明：橢圓環(huán)波導(dǎo)存在高的模式雙折射，在很寬的THz頻率范圍內(nèi)都達(dá)到了10-2數(shù)量級(jí)，且由于大部分模式功率集中于空氣芯內(nèi)，使得由聚合物材料吸收引起的波導(dǎo)損耗大大降低。
　　 4.設(shè)計(jì)了一種基于類領(lǐng)結(jié)單元的新型聚合物THz光纖，其中芯區(qū)內(nèi)引入的類領(lǐng)結(jié)單元能夠增加結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，從而獲得高的模式雙折射。仿真結(jié)果表明，這類光纖在很寬的頻率

5、范圍內(nèi)雙折射值都達(dá)到了10-2數(shù)量級(jí)，特別是在三角形格子的THz光纖中，其雙折射最大值達(dá)到≈5.11×10-2(f=1.2THz)。且由于部分模式功率分布于空氣孔內(nèi)，由聚合物材料吸收所引起的波導(dǎo)損耗大大降低。
　　 5.設(shè)計(jì)了兩種單偏振單模(SPSM)THz PCF。第一種是正方形格子排列的THzPCF，主要利用了折射率匹配耦合原理，使得波導(dǎo)中基模的某一偏振態(tài)模和包層缺陷模發(fā)生耦合，從而導(dǎo)致該芯區(qū)模的大部分功率泄露至包層缺陷中而

6、無法在光纖內(nèi)傳輸，實(shí)現(xiàn)了SPSM運(yùn)行。第二種是基于菱形空氣孔的THzPCF，通過在芯區(qū)附近引入缺陷，使得基模的某一偏振態(tài)模無法在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了SPSM特性。仿真結(jié)果表明：光纖中引入缺陷的位置、個(gè)數(shù)及其尺寸均會(huì)對(duì)SPSM運(yùn)行的區(qū)域和寬度產(chǎn)生影響。
　　 6.分析填充不同混合液后，兩種PCFs(LMA-5和LMA-8)中的溫度傳感特性。理論計(jì)算表明選擇合適的光纖，填充恰當(dāng)?shù)幕旌弦汉?，隨著溫度的變化，光纖的有效折射率、模場分布