發(fā)布時(shí)間：2017-12-10 13:30

  本文關(guān)鍵詞：基于雙曲線超材料和帶隙結(jié)構(gòu)的新型空芯波導(dǎo)的理論與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：空芯波導(dǎo)由于其空氣芯子結(jié)構(gòu),具備若干傳統(tǒng)實(shí)芯波導(dǎo)所不具備的光學(xué)性質(zhì),并成為一個(gè)十分獨(dú)特的光波導(dǎo)類型。空芯波導(dǎo)為大容量高速通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、中紅外/太赫茲(Terahertz,THz)系統(tǒng)、高功率激光傳輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展開啟了一扇新穎的大門�？招静▽�(dǎo)的芯子折射率為1,而自然界中常見介質(zhì)的折射率高于1、且金屬波導(dǎo)表面的損耗系數(shù)非常高,因此空芯波導(dǎo)的導(dǎo)光機(jī)制往往不同于常見固體實(shí)芯波導(dǎo)所采用的全反射原理。為將電磁波束縛在低折射率芯子中傳輸,空芯波導(dǎo)的包層需采用新型材料或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文利用金屬絲型雙曲線超材料和帶隙結(jié)構(gòu)作為波導(dǎo)包層,針對(duì)用于THz輻射單模操控、THz波段以及光通信波段軌道角動(dòng)量(orbital angular momentum,OAM)傳輸?shù)男滦涂招静▽?dǎo),開展了一系列深入的理論、仿真與實(shí)驗(yàn)研究。歸納本文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:1、提出了一種基于金屬絲雙曲線超材料包層的空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過聯(lián)合運(yùn)用解析公式和數(shù)值模型,該波導(dǎo)的雙曲線超材料包層反射橫磁(transverse magnetic,TM)偏振波,而透射橫電偏振波,即該波導(dǎo)僅支持TM模式在波長(zhǎng)尺寸的空氣芯子中穩(wěn)定傳輸。與傳統(tǒng)金屬型THz波導(dǎo)相比,雙曲線超材料波導(dǎo)的單模工作窗口擴(kuò)大了一倍以上;與目前常見的介質(zhì)型多模THz波導(dǎo)相比,雙曲線超材料單模波導(dǎo)的芯子尺寸降低為波長(zhǎng)量級(jí)。數(shù)值模型仿真結(jié)果顯示,雙曲線超材料包層中僅需一圈金屬絲即可有效實(shí)現(xiàn)TM模式的傳輸,大大簡(jiǎn)化了波導(dǎo)制作工藝;2、根據(jù)金屬絲雙曲線超材料的特殊光學(xué)性質(zhì),優(yōu)化、制作并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一種寬帶、單模、徑向偏振的空芯THz波導(dǎo)。通過數(shù)值仿真,該波導(dǎo)的單模傳輸窗口是介質(zhì)鍍膜金屬波導(dǎo)(相同芯子尺寸)的2.3倍。徑向偏振TM模式在單模傳輸窗口頻率范圍內(nèi)的傳輸損耗可低至0.28dB/cm。通過使用THz時(shí)域光譜系統(tǒng),制作的波導(dǎo)在0.31-0.44THz內(nèi)支持波長(zhǎng)尺寸(芯子直徑0.88mm)單模傳輸。采用透射譜測(cè)試、近場(chǎng)模式成像兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了金屬絲包層在單模窗口內(nèi)僅反射徑向偏振的TM模式,與理論結(jié)果吻合;3、通過在金屬絲雙曲線超材料包層中對(duì)稱地將部分金屬絲替換為空氣孔,提出并分析了一種線偏振、單模空氣孔/金屬絲混合包層空芯THz波導(dǎo)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),混合包層波導(dǎo)在單模、單線偏振窗口(0.36-0.46THz)內(nèi)的傳輸損耗為0.27dB/cm左右,且與其它泄漏模式損耗的比值低至10-2量級(jí)。由于雙曲線超材料對(duì)波長(zhǎng)尺寸芯子(芯子直徑1mm)中TM模式的強(qiáng)束縛能力,當(dāng)彎曲半徑高于5cm時(shí),波導(dǎo)在0.4THz的彎曲損耗低于0.3dB/cm。波導(dǎo)支持的低損耗線偏振模式可直接通過常用的高斯光束激勵(lì),耦合效率高達(dá)67%,為徑向偏振模式耦合效率的兩倍以上;4、提出并研究了 OAM在空芯THz波導(dǎo)中的傳輸性能。著重分析了 Kagome空芯THz波導(dǎo)中的高階模式與OAM模式。仿真結(jié)果顯示,在0.2-0.9THz頻率范圍內(nèi),Kagome波導(dǎo)具有兩個(gè)反諧振傳輸窗口,并可支持共三階OAM模式。在第二個(gè)反諧振窗口內(nèi)(0.6-0.85THz),OAM模式的純度均高于0.9。通過比較波導(dǎo)包層中Kagome結(jié)構(gòu)的層數(shù),分析了波導(dǎo)的束縛能力對(duì)OAM模式純度的影響。另外,討論了介質(zhì)鍍膜金屬THz波導(dǎo)和布拉格空芯THz波導(dǎo)中OAM模式傳輸?shù)奶匦?并提出了以上兩種THz波導(dǎo)在OAM應(yīng)用中存在的局限性;5、討論了空芯光子帶隙光纖(hollow-core photonic bandgap fiber,HC-PBGF)用于光波段OAM模式傳輸?shù)目尚行�。利用�?shù)值仿真研究了不同芯子,尺寸HC-PBGF中高階矢量模式和對(duì)應(yīng)OAM模式的傳輸性能。對(duì)于7芯HC-PBGF,一階OAM模式低串?dāng)_(有效折射率差高于10-4)、低損耗(小于3dB/km)傳輸帶寬可達(dá)到240nm(1500-1740nm),且在1710nm處OAM模式純度可達(dá)0.952。在19芯以及37芯HC-PBGF中,隨著芯子尺寸的增大,傳輸損耗降低、OAM模式數(shù)量增多、純度升高,但抗串?dāng)_性能降低。分析了非圓對(duì)稱芯子結(jié)構(gòu)對(duì)OAM模式的影響以及模場(chǎng)面積對(duì)OAM純度的影響。此外,討論了 OAM傳輸對(duì)光纖制作工藝的敏感性。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN252

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本文編號(hào)：1274627