基于倾斜光栅的多维微结构光纤光子器件机理及应用研究

利用微结构光纤中的微纳光子晶体结构，控制光子在光波导中的运动，从而实现更多功能的光子器件是目前研究的热点。本项目即是以全新的具有准三维微纳结构的微结构倾斜光纤光栅为基础，进而对具有复杂"多维"结构的光纤光子器件中的模式耦合机理进行深入的理论和实验研究。提出并创建一种普适的模式耦合理论。我们主要研究在不同结构的微结构光纤的纤芯或包层上写制不同周期和倾角的倾斜光纤光栅。建立分析其的理论分析模型和计算机模拟程序；研究其的基本特性如带隙的宽度、带隙出现的波长位置、光纤损耗等与光纤结构及参数的变化关系。探索利用其控制光波在纤芯和周期性包层结构中耦合与衍射运动学过程的方法，解释其中出现的科学问题。同时，研究其透射和反射光谱特性，并对光纤端面输出光的偏振、色散、光场分布特性以及从光纤侧面散射光的光谱特性进行实验研究，配合理论研究工作揭示光波在其中传输和衍射的运动学过程和机理。

本项目旨在以全新的具有准三维微纳结构的倾斜微结构光纤光栅为基础，对具有复杂“多维”结构的光纤光子器件中的模式耦合机理进行深入的理论和实验研究，从而提出并创建一种普适的模式耦合理论。围绕这一研究目标，我们的研究主要包括以下几方面的工作：.① 建立微结构光纤倾斜光栅的理论分析模型和程序，揭示倾斜微结构光纤光栅中的模式耦合机理，以获得适于其不同应用特点的优化设计方法。并以此为基础，最终建立更为普适的多维微结构光纤光子器件的模式耦合理论。.② 研究不同功能材料在倾斜微结构光纤光栅中的填充技术，从理论上揭示填充材料对微结构倾斜光栅的影响和作用，实现对其传输特性的调谐与控制。在此基础上研制出多种新颖的、有重要应用价值的功能型光子器件。.③ 研究不同倾角、不同栅格周期、不同深度和位置的微结构光纤倾斜光栅的写入技术，解决掌握其中的各种关键技术和科学问题，建立一个有推广意义的高新工艺与技术实验平台。.在本项目三年的研究期间，我们首先进行了倾斜光纤光栅模式耦合理论与光栅写制技术研究，利用载氢增敏和双光子吸收写制技术分别在全固带隙引导型微结构光纤和柚子型微结构光纤上写制了具有不同倾斜角度的倾斜光纤光栅，并对其模式耦合机制和光谱特性分别进行了理论分析和实验研究。同时我们还对基于功能材料填充的倾斜微结构光纤光栅进行了理论和实验研究，我们利用磁流体填充柚子型微结构光纤包层空气孔形成折射率引导的导光机制，并对其温度特性进行了研究。进而利用CO2激光器通过光纤侧向写制方式在填充有磁流体的柚子型微结构光纤上成功写制了长周期光栅，并对其弯曲传感特性进行了研究。在以上工作的基础上，我们还利用磁流体材料对基于柚子型微结构光纤的倾斜Bragg光栅进行了填充，实现了对外界磁场变化的测量。此外，我们还通过单模光纤与微结构光纤错位熔接的方式形成了干涉效应，并对其模式耦合机制进行了深入的理论和实验研究。