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基于聚合物微纳光纤交叉结构的串扰特性研究

基于聚合物微纳光纤交叉结构的串扰特性研究

作者：王佳奇桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着纳米科学与纳米技术的快速发展,信息社会对光子器件尺寸和集成光路的集成度要求也越来越高,促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。因此,超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路成为光子学研究领域的热点。聚合物微纳光... 详细信息

随着纳米科学与纳米技术的快速发展,信息社会对光子器件尺寸和集成光路的集成度要求也越来越高,促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。因此,超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路成为光子学研究领域的热点。聚合物微纳光纤(Polymer Micro-nano Fiber,PMNF)具有良好的器件构筑能力、导光性能和独特的机械性能,还具有良好的柔韧性及弹性,因此被广泛应用于构筑小型化集成光路和超紧凑结构复杂的光子学器件。然而在这些应用中,密集排列的聚合物微纳光纤间由于倏逝波耦合产生的串扰已经成为重要问题。因此,研究如何降低聚合物微纳光纤间的串扰很有必要。在三维空间中,本文基于时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)系统性地研究了直型聚合物微纳光纤交叉结构的串扰,并设计了两种桥型聚合物微纳光纤交叉结构,同时对其产生的串扰进行详细的分析与研究。主要研究工作和成果如下:1.直型聚合物微纳光纤交叉结构的设计与分析:首先,建立了基于相同聚合物微纳光纤的交叉结构物理模型,并分析了该结构的交叉角度、直径、分离距离、偏振模态及近红外波长分别对串扰的影响。然后,建立了基于不同聚合物微纳光纤的交叉结构物理模型,并分析了不同直径和不同材料分别对串扰的影响,即直径差和折射率差分别对串扰的影响。最后,对于由不同材料构成的直型聚合物微纳光纤交叉结构,研究了如何通过改变纤芯直径达到最低串扰的效果。同时分析了耦合方向对串扰的影响。结果表明,通过设计以上研究的结构参数均能有效降低串扰。2.桥型聚合物微纳光纤交叉结构的设计与分析:在研究直型聚合物微纳光纤交叉结构的基础上,首次研究设计了基于余弦弯曲的桥型聚合物微纳光纤交叉结构和基于弧形弯曲的桥型聚合物微纳光纤交叉结构。首先,建立了基于余弦弯曲的桥型交叉结构物理模型,并分析了该结构的弯曲高度、弯曲宽度和直径分别对串扰的影响。然后,建立了基于弧形弯曲的桥型交叉结构物理模型,并分析了该结构的曲率半径、φ角和直径分别对串扰的影响。在此基础上,分析了耦合方向对串扰的影响。最后,对比了以上两种桥型交叉结构。在以上研究过程中简要分析了桥型交叉结构所带来的弯曲损耗。结果表明,即使在较小的交叉角度下,通过设计以上研究的结构参数,在兼顾弯曲损耗的同时均能有效降低串扰。本文研究内容为构筑超紧凑结构复杂的光子学器件和小型化集成光路提供了有价值的参考。

关键词：聚合物微纳光纤串扰时域有限差分方法倏逝波耦合交叉结构

光栅—金属电介质复合结构的超分辨SPs光刻特性研究

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光栅—金属电介质复合结构的超分辨SPs光刻特性研究

作者：王冠君合肥工业大学

学位级别：硕士

超衍射极限的光刻技术已经成为世界范围内纳米科技和微电子工业发展迫切的技术需求。表面等离子体(Surface plasmon polaritons, SPs)具有近场局域增强和波长远小于激发波长等特性,为突破光学衍射极限的高分辨光刻技术提供了一种新的方... 详细信息

超衍射极限的光刻技术已经成为世界范围内纳米科技和微电子工业发展迫切的技术需求。表面等离子体(Surface plasmon polaritons, SPs)具有近场局域增强和波长远小于激发波长等特性,为突破光学衍射极限的高分辨光刻技术提供了一种新的方法。金属-电介质多层复合结构是纳米尺度的金属层和介质层通过多层复合构成的一种具有新颖光学特性的光学材料(Metamaterials),可以作为高空间频率、局域增强的表面等离子体波(SPW)耦合传递的有效载体,实现高频电磁波能量在结构内的耦合传递,并可在结构的出射端获得空间高度局域的超衍射极限光场分布,进而可以用于超小尺度的近场光刻。本文基于表面等离子体的干涉效应,采用理论分析与数值仿真相结合的方式详细研究了光栅Ag/SiO2多层薄膜复合结构的表面等离子体光刻特性。针对405nm波长的普通紫外光源,利用等效介质理论、传输矩阵理论系统地研究了Ag/SiO2多层结构的色散及空间滤波特性,并对结构参数进行了优化设计。利用优化参数,在405nm波长的TM偏振光照明下,数值上获得了横向空间分辨率为19.7nm的超衍射极限光刻条纹。在此基础上,针对一直困扰表面等离子体光刻的条纹陡直度和对比度较差的技术问题,我们利用表面等离子体微腔共振的原理,提出并设计了一种Ag/SiO2多层复合结构的SPs谐振腔光刻结构。利用微腔间SPs的强烈垂直耦合效应,使得腔内光刻区域中局域场得到显著地纵向延伸与增强,获得了对比度接近于1的光刻条纹且其刻蚀深度得以显著提升。上述研究成果将在纳米尺度半导体器件的加工、制备和集成,超衍射极限成像及传感等领域具有重要的应用价值。

关键词：衍射极限表面等离子体纳米光刻 Ag/SiO2薄膜多层复合结构表面等离子体谐振腔倏逝波耦合

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静电纺丝技术在微纳光纤传感中的初步研究

静电纺丝技术在微纳光纤传感中的初步研究

作者：李乐哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

光纤应用技术在过去的几十年里得到了快速的发展，对于全光纤器件的研究越来越多的受到科研人员的重视，由于微米/纳米尺度的光导纤维（以下简称为微纳光纤）的直径小于光波长，纤芯和包层的高折射率差可以使光纤对光场具有很强的约束... 详细信息

光纤应用技术在过去的几十年里得到了快速的发展，对于全光纤器件的研究越来越多的受到科研人员的重视，由于微米/纳米尺度的光导纤维（以下简称为微纳光纤）的直径小于光波长，纤芯和包层的高折射率差可以使光纤对光场具有很强的约束能力，另外，倏逝波传输也是微纳光纤所具有的一个重要特性。同时，微纳光纤技术增加了光学器件的响应速度和灵敏度，减小了光学器件的体积以及降低了功率损耗。这些优势都促使光纤和光纤设备朝着小型化的方向发展。在未来的发展中，微纳光纤可以作为构建微米或纳米量级光子学器件单元或微型光学传感器单元。因此，制备微纳光纤具有深远的意义，引起了国际上的广泛关注。目前，几乎所有的微纳光纤（Micro/nano Fiber，简称为MNF）较为成熟的制备方法都是基于激光加热或火焰加热来制备无机材料微纳光纤，而对于如何制备高分子微纳光纤方面的报道却很少。静电纺丝方法是制备高分子微纳纤维简单有效的方法之一，本文利用静电纺丝技术成功的制备了直径最细可达到300nm，长度可达到几十厘米的高分子微纳光纤，通过改变溶液的浓度以及混合溶剂之间的体积比可以控制微纳光纤直径在300nm至1000nm范围内变化，从扫描电子显微镜图像中可以观察到表面光滑且直径均匀的高分子微纳光纤。同时，耦合理论的仿真和耦合实验的结果也证明了高分子微纳光纤具有很好的导光特性。利用静电纺丝技术制备的高分子微纳光纤在微纳光纤传感器以及微纳光子学器件集成等方面将有潜在的应用。静电纺丝方法提供了一种制备表面光滑、直径均匀的微纳光纤的方法，而且这种方法不需要昂贵的实验设备和复杂的实验工序。在高分子微纳光纤中容易掺杂各种荧光染料、金属氧化物和酶等功能材料，这些优势都是石英和玻璃等无机材料微纳纤维难以实现的。因此，我们利用静电纺丝技术成功的制备出中性红掺杂的PMMA聚合物微纳光纤和[Ru （dpp）3]Cl2掺杂的凝胶硅基微纳光纤，分别进行了对氨气浓度和氧气浓度检测的实验。由于高分子微纳光纤具有表面光滑、直径均匀、高的表面体积比等优点，而且气体分子容易扩散进高分子纤维中，与纤维中掺入的指示剂充分作用，因此基于高分子微纳光纤的气体传感方法比传统的气体传感方法有更多的优点，例如，器件尺寸更小、敏感性更强等。有利于研制功能多样化、敏感性更强、响应速度更快的微型化光纤气体传感器。

关键词：静电纺丝光学材料微纳光纤倏逝波耦合光纤化学传感

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含微纳芯多芯光纤模场特性的研究

含微纳芯多芯光纤模场特性的研究

作者：李娟湖南大学

学位级别：硕士

光纤激光器由于具有转换效率高、激光阈值低、光束质量好等优点越来越得到重视,已经广泛应用于激光武器、材料加工、空间光通信、遥感、光电对抗等领域。但是,由于受到非线性效应、光损伤等负载能力的限制,单根光纤的输出功率难以提高... 详细信息

光纤激光器由于具有转换效率高、激光阈值低、光束质量好等优点越来越得到重视,已经广泛应用于激光武器、材料加工、空间光通信、遥感、光电对抗等领域。但是,由于受到非线性效应、光损伤等负载能力的限制,单根光纤的输出功率难以提高。相干组束方法可以将多束激光相干合成,是实现高功率、高亮度激光输出最有效的技术途径之一。在众多相干组束方法中,多芯光纤组束是最简单的一种方式。但是,常规光纤的倏逝波模场较弱,所以难以实现有效的相干。而采取外部措施实现的相干,结构复杂,稳定性差。本文利用微纳光纤的大模场倏逝波特性,以含有微纳纤芯的多芯光纤为研究对象,主要运用FDTD方法对其进行数值模拟,系统研究和分析了这种新型多芯光纤的模场特性。本文的工作主要如下： (1)基于解析方法,理论研究了微纳光纤阵列的远场特性,分析了微纳多芯光纤阵列中的所有阵元工作频率相同且相位锁相时,微纳光纤阵列在远区相干叠加的规律。研究结果表明：为了获得更高功率和更好光束质量的光纤阵列输出,需要各阵元对峰值功率能产生有效作用,因此应增加光纤的阵元数目、减少阵元之间的间距并保持各阵元的振幅分布不出现很大的差异。 (2)基于时域有限差分法(FDTD),数值模拟了多芯光纤(包含多根微纳纤芯或包含多根微纳芯和大芯径纤芯)的模场特性,分析了不同光纤参数对于模场特性的影响。研究结果表明：通过调整纤芯间距和粗细,多根微纳光纤组束或者多根微纳光纤和大芯径光纤组束可以较好实现多纤芯的耦合,并起到模场整形的效果。与常规光纤的组束方式相比,微纳光纤间强耦合作用使其组束效果明显提高。

关键词：倏逝场时域有限差分法(FDTD) 倏逝波耦合相干组束

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基于CO_2激光的微纳光纤熔接技术研究

光学仪器 2019年第1期41卷 24-28页

作者：周聪谷付星上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

为了解决微纳光纤之间的结构稳定性差的问题,使用CO_2激光作为加热源,加热两根重叠在一起的微纳光纤,并在显微镜下观察其熔接情况,最终将两根微纳光纤熔接成一根,而且熔接点的光纤表面光滑,直径均匀。通过CO_2激光加热的方法,实现了微... 详细信息

为了解决微纳光纤之间的结构稳定性差的问题,使用CO_2激光作为加热源,加热两根重叠在一起的微纳光纤,并在显微镜下观察其熔接情况,最终将两根微纳光纤熔接成一根,而且熔接点的光纤表面光滑,直径均匀。通过CO_2激光加热的方法,实现了微纳光纤高质量的熔接,增加了微纳光纤之间的机械稳定性,使其更容易制作出纳米光子器件。

关键词：微纳光纤倏逝波耦合激光熔接