復(fù)模展開方法及其在光纖器件分析中的應(yīng)用.pdf

1、模式展開方法是分析光波導(dǎo)器件的重要方法之一。采用該方法分析光波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)是規(guī)則光波導(dǎo)中模式的完備正交基，這些模式包括導(dǎo)引模和輻射模。運(yùn)用現(xiàn)有的模式展開方法，對(duì)與導(dǎo)引模相關(guān)問題的處理已經(jīng)非常成熟;但由于輻射模的連續(xù)譜特性，對(duì)其處理會(huì)涉及復(fù)雜求解和積分，相比較而言困難得多。為解決輻射模在模式展開中引起的困擾，我們借助于以完美匹配層外按理想導(dǎo)體作為邊界條件的等效閉波導(dǎo)模型中的復(fù)模系列，采用其中離散的準(zhǔn)泄漏模式代替連續(xù)的輻射模式，提出基于這種

2、包括導(dǎo)引模和泄漏模在內(nèi)的復(fù)模展開方法。
　　 在本論文中，我們首先從光波導(dǎo)中解析求解得到的泄漏模和等效閉波導(dǎo)中的準(zhǔn)泄漏模出發(fā)，研究了它們與輻射模在分析光波導(dǎo)問題中的等價(jià)條件，分析了這種泄漏模代替輻射模方法的可行性和有效性，為復(fù)模展開方法的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)一步，建立了基于復(fù)模展開方法的耦合模理論體系;并借助該體系的解析分析模型，研究了復(fù)模間的耦合機(jī)制，成功揭示了光器件設(shè)計(jì)參數(shù)與工作特性的內(nèi)在聯(lián)系，為光波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指

3、導(dǎo)方案。在深入研究并完善了復(fù)模展開的分析方法后，又將之應(yīng)用在光波導(dǎo)器件的分析和設(shè)計(jì)中，并解決了與輻射模相關(guān)的一系列問題，完成了一系列高性能光纖器件的設(shè)計(jì)。這些工作在三種典型的光纖器件上展開，即光纖光柵、單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)及手征光纖光柵。主要工作包括:
　　 (1)借助復(fù)模展開方法，設(shè)計(jì)了基于長(zhǎng)周期光纖光柵的高折射率液體折射率傳感器，拓展了光纖光柵的折射率傳感范圍。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了光柵掩膜板，制作了光纖光柵樣品，搭

4、建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。研究表明，該傳感器線性度好，且在1.46至1.7的折射率范圍內(nèi)靈敏度可達(dá)90dB/RIU，在1.465至1.475的范圍內(nèi)可達(dá)1200dB/RIU。該傳感器在工業(yè)過程監(jiān)控和生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
　　 (2)將復(fù)模展開方法應(yīng)用于單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的分析中，討論了輻射模的模間干涉問題，完善了該結(jié)構(gòu)的理論分析體系;通過引入漏模模間干涉的概念，直觀地描述了該結(jié)構(gòu)的傳輸特性，清晰

5、地展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中的輻射模干涉效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于該結(jié)構(gòu)的高折射率液體折射率傳感器和液位傳感器，并完成了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，首次將基于單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的傳感范圍成功拓展到高折射率媒質(zhì)。結(jié)果表明，對(duì)于折射率傳感器，在1.46至1.49的傳感范圍內(nèi)其靈敏度可達(dá)400dB/RIU;對(duì)于液位傳感器，當(dāng)傳感液體折射率為1.5025時(shí)，其傳感靈敏度可達(dá)0.57dB/mm。這兩種傳感器件靈敏度高、線性度好，又兼有制作簡(jiǎn)單成本低廉的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣