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基于倏逝场特性的微纳光纤器件研究

2020-12-05阅读(110)

基于倏逝场特性的微纳光纤器件研究

论文摘要

与电子器件相似,微型化也是光子器件的发展趋势之一。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控,实现各种各样的功能。微纳光波导是微纳光子器件的基本结构单元,是目前光子学领域的研究热点之一。微纳光纤是一种典型的微纳光波导,因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注。微纳光纤的突出特点之一是周围的倏逝场可以很强,本文首先研究了微纳光纤的模场特性。本文用氧化硅徼纳光纤模场的解析解,在线偏振和圆偏振输入光情况下分别讨论了微纳光纤内部及周围的电场和能量的分布,以及氧化硅微纳光纤的色散特性。两根微纳光纤通过倏逝波耦合可形成微型耦合器,这是研制微纳光纤器件非常有用的一个特性。文中用微扰理论模型从物理上探讨了微纳光纤间的倏逝波耦合机理,并通过3D-FDTD方法用数值计算实例分析了微纳光纤倏逝波耦合器的特性。本文的工作以氧化硅微纳光纤和玻璃微纳光纤的制备方法为基础,研究重点为基于倏逝场的微纳光纤器件,包括共振型和干涉型两种。共振型器件以微纳光纤结型谐振腔和环形激光器为代表,其中对微纳光纤环形激光器的理论建模分析是共振型器件的重点内容。基于耦合区的耦合波方程和激光工作物质的速率方程,文中给出了三能级系统和四能级系统的激射条件、阈值泵浦功率和量子效率的解析表达式。研究表明,若能实现泵浦光的谐振,则能大大降低泵浦的阈值功率,增加泵浦吸收,从而增加激光器的量子效率。此外,还研究了泵浦光谐振时的耦合损耗和微环直径对泵浦闽值和量子效率的影响。研究发现,采用大吸收截面和高掺杂材料制作微纳光纤环形激光器,可以实现直径约几十微米的低阈值、高效率的微型激光器。这些理论分析对微纳光纤环形激光器和其他微激光器的制作和特性分析具有一定的指导意义。在干涉型器件部分,详细研究了基于微纳光纤耦合器的微型Mach-Zehnder干涉仪的实验制作过程和光学特性表征。通过在光学显微镜下的微纳操作,我们可以方便地在低折射率衬底上制作不同分束比的耦合器。基于3 dB耦合器,可以方便的制作氧化硅和玻璃微纳光纤Mach-Zehnder干涉仪,器件尺寸在几十微米到几百微米。通过仔细调节耦合器的长度,干涉对比度可以达到10 dB,通过微纳操作,还可以自由调节干涉仪两臂的程差,从而改变干涉仪的自由光谱区。制作方便、结构紧凑,程差可调,且便于与光纤系统相连,这些特性使得微纳光纤Mach-zehnder干涉仪有可能用在传感器,光调制器等微光子学器件中。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 微纳光纤及其器件的研究现状概述
  • 1.微纳光纤的研究背景
  • 2.微纳光纤的制备进展介绍
  • 3.微纳光纤的特性研究进展
  • 3.1 机械特性
  • 3.2 光学损耗特性:传输损耗,弯曲损耗,拉锥损耗
  • 3.3 模场特性
  • 3.4 色散特性及调控
  • 3.5 传输特性的调控
  • 3.6 约束的增强及其应用
  • 4.微纳光纤的器件研究进展及应用
  • 5.本文的结构与内容介绍
  • 参考文献
  • 第二章 微纳光纤的模场及其耦合特性
  • 第一节 单根微纳光纤的模场特性
  • 1.电场分布特性
  • 1.1 电场的径向分布特性
  • 1.2 电场分布对方向角的依赖性
  • 2.圆偏振输入光的情况
  • 3.能量分布
  • 3.1 Poynting矢量轴向分量的分布
  • 3.2 圆偏振输入光的Poynting矢量在横截面内分量的分布
  • 4.微纳光纤的色散特性
  • 第二节 两根平行微纳光纤间的倏逝波耦合特性
  • 1.微扰理论模型
  • 1.1 光纤模场分布的标量解
  • 1.2 受扰光纤的微扰解
  • 1.3 平行放置的两根相同光纤组成的复合波导的模式分布
  • 1.4 平行放置的两根相同光纤组成的复合波导间的耦合
  • 2.两根相同直径的微纳光纤间倏逝波耦合的数值模拟
  • 2.1 数值模拟的方法和模型
  • 2.2 数值计算结果
  • 参考文献
  • 第三章 微纳光纤的制备以及特性表征
  • 第一节 由单模光纤制备微纳光纤
  • 1.两步拉伸法
  • 2.一些改进的一步拉伸法
  • 3.自调制拉锥法
  • 第二节 由块状玻璃材料直接拉制玻璃微纳光纤
  • 1.直接拉锥法的工艺介绍
  • 2.玻璃微纳光纤的光学特性
  • 参考文献
  • 第四章 基于倏逝场的器件一:结型谐振腔及激光器
  • 第一节 微纳光纤结型谐振腔和激光器的实验研究
  • 1.微纳光纤结型谐振腔的实验研究
  • 2.微纳光纤结型激光器的实验研究
  • 第二节 微环结型激光器的理论建模分析
  • 1.理论模型
  • 1.1 环形谐振腔方程
  • 1.2 速率方程
  • 2.产生激光的条件和量子效率
  • 3+和Yb3+掺杂的微光纤环激光器'>3.讨论:Er3+和Yb3+掺杂的微光纤环激光器
  • 3+和Yb3+掺杂微光纤环形激光器中泵浦光谐振的影响'>3.1 Er3+和Yb3+掺杂微光纤环形激光器中泵浦光谐振的影响
  • s和γp对临界耦合时阈值功率和量子效率的影响'>3.2 耦合损耗γs和γp对临界耦合时阈值功率和量子效率的影响
  • 3.3 环形腔直径对阈值功率和量子效率的影响
  • 参考文献
  • 第五章 基于倏逝场的器件二:微纳光纤MACH-ZEHNDER干涉仪
  • 第一节 微纳光纤耦合器的制作
  • 第二节 微纳光纤MZI的制作与特性测试
  • 参考文献
  • 第六章 总结与展望
  • 附录
  • 发表论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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