低损耗太赫兹光纤器件及其特性分析

论文摘要

随着太赫兹（THz）技术日益发展,THz系统已不再满足于体积庞大的自由空间传播,研究出低损耗传输的THz波导是THz技术能否广泛应用的关键。太赫兹多孔芯光纤由于纤芯集成了高占空比的亚波长空气孔,能够很好地降低材料吸收损耗。基于多孔芯光纤的THz光纤器件,是太赫兹技术研究跨入应用型研究的重要元件,在太赫兹通信及传感体系中具有十分广泛的应用前景。本课题研究了两种不同类型的基于多孔芯的THz高双折射光纤,以及基于双悬挂芯的THz光纤偏振分束器,对这三种结构的光纤特性进行了数值分析。本文首先概述了太赫兹技术的研究背景,主要包括THz波的定义及应用、产生、检测和传输几个方面。然后介绍了THz光纤器件的发展现状,揭示了本课题的研究意义。探究了光纤的导光机制及其数值分析方法,详细介绍了有限元法及基于有限元的COMSOL Multiphysics软件,并概述了利用该软件进行光纤特性分析的步骤。提出了一种基于方形晶格的多孔芯光子晶体光纤（PCF）,可用于太赫兹波的保偏。通过在PCF纤芯上设计矩形阵列空气孔,可同时获得超高的双折射和较低的有效材料损耗（EML）。利用COMSOL软件对THz波的传播特性进行了详细的数值分析。数值结果表明,该光纤在1 THz处具有高达0.063的双折射,材料吸收损耗降低为0.081 cm-1。此外,在0.851.9 THz宽的频域上,可以获得很低的平坦色散,并且调节参数还可实现零平坦色散。仿真结果显示该光子晶体光纤在偏振保持和色散管理中有潜在的应用前景。设计了一种高双折射THz光纤,在悬挂芯中含有亚波长矩形空气槽。该光纤在宽频范围内可提供10-2量级的高双折射。在0.95 THz时,能同时获得0.078的超高双折射、0.39 dB/cm的低有效材料损耗和1.25×10-5 dB/cm的低束缚损耗。此外,数值计算结果表明,可以获得变化幅度较小的低色散。由于功率剖面包络为类高斯型,这对于与常用太赫兹源的耦合具有重要意义。对于y偏振模,计算得到的耦合效率高达～95%。该悬挂芯光纤将在THz波偏振保持和细菌检测应用中发挥重要作用。提出了一种基于悬挂式双芯光纤的太赫兹偏振分束器。首先介绍了双芯定向耦合器的基本理论,之后对该THz偏振分束器进行了数值分析。光纤的每个纤芯由两个附着的亚波长聚合物管构成,这有利于高双折射的实现。由于x和y偏振模的耦合长度不同,在特定的传播距离下,该分束器可以完全分离两个正交偏振模。在中心频率为1 THz的情况下,分束器长度可以短至1.184 cm,插入损耗为0.6 dB,且消光比优于-10 dB的带宽为0.05 THz。此外,与其它太赫兹偏振分束器不同,该光纤的设计存在一个高效的规则。对于给定的工作频率,满足该规则条件,就能迅速地得到具有高消光比的偏振分束器。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 太赫兹技术研究背景
•     1.1.1 太赫兹辐射简介
•     1.1.2 太赫兹波发射源和探测技术简介
•     1.1.3 太赫兹波的传输
•   1.2 太赫兹聚合物光纤器件
•     1.2.1 太赫兹高双折射保偏光纤
•     1.2.2 太赫兹光纤偏振分束器
•   1.3 本文研究意义和内容
• 第2章 光纤导光机制及研究方法
•   2.1 聚合物光纤导光机制
•     2.1.1 光子晶体光纤
•     2.1.2 悬挂芯光纤
•   2.2 研究方法简介
•     2.2.1 光纤的数值分析方法
•     2.2.2 有限元法简介
•   2.3 有限元软件COMSOL Multiphysics介绍
•   2.4 本章小结
• 第3章 低损耗高双折射THz保偏光纤的研究
•   3.1 保偏光纤及其主要特征
•     3.1.1 保偏光纤
•     3.1.2 高双折射THz光纤的主要特性
•   3.2 基于光子晶体的THz保偏光纤
•     3.2.1 引言
•     3.2.2 THz PCF的结构设计
•     3.2.3 THz PCF的特性分析
•   3.3 基于悬挂芯的THz保偏光纤
•     3.3.1 引言
•     3.3.2 THz悬挂芯光纤的结构设计
•     3.3.3 THz悬挂芯光纤的特性分析
•   3.4 THz保偏光纤特性的综合分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 悬挂双芯THz光纤偏振分束器
•   4.1 引言
•   4.2 光纤偏振分束器原理
•   4.3 结构设计与特性分析
•     4.3.1 结构设计
•     4.3.2 单芯光纤特性分析
•     4.3.3 分束器特性分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 罗剑锋

导师: 田凤军

关键词: 太赫兹光纤,低损耗,高双折射,分束器

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: TN253

总页数: 93

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