单层空气孔-石英基特种光纤包层模谐振调控机理与热力学特性研究

Specialty optical fiber is the key to building the high speed large capacity optical communication and sensing system, and it is one of the key components of optical frontier problem research and discipline-crossing field development. In this project, a single layer air hole-quartz specialty optical fiber is proposed, also known as triple cladding quartz specialty fiber (TCQSF). During the whole project, the characteristics of TCQSF are focused research, such as the structure model, transmission modes, cladding mode resonance, thermodynamic characteristics and so on. The structure model is established by different core, inner cladding, air hole cladding and outer cladding of TCQSF. The relationship between the air holes cladding structural parameters and the cladding mode resonance characteristics is deeply explored. For the doped TCQSF, the variation law between the equivalent refractive index distribution and the mode properties is researched. The fabrication technology of cladding mode resonant sensor is proposed. The variation law and sensing mechanism of the cladding mode resonance spectrum are investigated by some experiments. Finally, the TCQSF cladding mode resonance is precisely controlled and used to develop the sensing applications. The research results can establish the theoretical and technical foundation for the development of specialty optical fiber cladding mode resonance devices. Especially, for the novel miniaturized integrated optical passive device and the "lab on fiber" research, it has a very important reference value and basic scientific significance.

特种光纤是建设高速大容量光通信传输与光感知系统的关键，也是探究光学前沿问题和拓展学科交叉领域的核心器件之一。本项目提出一种单层空气孔-石英基特种光纤(TCQSF)，重点研究TCQSF独特的纤芯-内包层-空气孔包层-外包层结构模型、模式特性、包层模谐振特性和热力学特性，解决TCQSF单层空气孔包层结构参数与包层模谐振特性表征、掺杂TCQSF等效折射率分布与模式特性之间的变化规律等科学问题，探索包层模谐振传感器制备技术，实验探究包层模谐振谱的变化规律和传感机理，最终实现单层空气孔-石英基特种光纤包层模谐振的精确调控与传感应用。本项目研究成果可以为研制特种光纤包层模谐振器件奠定理论和技术基础，对于微型化、集成化的新型光无源器件研制和“纤上实验室”的研究探索具有非常重要的参考价值和基础科学意义。

在光纤通信、光纤传感和光纤激光器领域，都不避免涉及到光纤包层模的控制问题。为了实现对光纤包层模的精确调控，本项目提出一种单层空气孔-石英基特种光纤(TCQSF)，重点对TCQSF结构模型、模式特性、包层模谐振特性和热力学特性进行研究。主要成果包括：.（1）研究了不同内部结构模型的TCQSF的模式特性，分别研究具有特殊单层空气孔包层的TCQSF光传输特性，重点研究了具有不同空气孔包层结构的TCQSF的模场分布规律以及损耗、色散等光学特性；结果表明，TCQSF的基模主要束缚在纤芯内部，且受到空气孔层的影响相对很小。 .（2）研究了不同内部结构模型的TCQSF的包层模谐振特性，分析了空气孔包层结构参数对TCQSF模场分布特性和等效折射率模型的影响，构建了TCQSF包层模谐振特性表征模型。结果表明，当接入的TCQSF的长度为一个拍长时，该波长段的光将全部由芯波导LP01(rod)模式耦合至环芯波导I中的LP01(tube)模式中，产生包层模谐振现象。当传感器长度为10mm时，传输光完成一个周期震荡。.（3）研究了基于石英材料基底的不同掺杂材料的TCQSF导光机制，分别研究在纤芯、内包层掺杂不同折射率材料对其模式特性以及传输损耗、色散等光学特性的影响；研究并建立了不同掺杂TCQSF的等效折射率分布与模式特性之间的数学模型、掺杂参数与包层模谐振光谱之间的数学模型。结果表明，当TCQSF纤芯或环芯波导Ⅰ中掺入高折射率材料Ge、Al、Ti时，其谐振点不会发生变化；当TCQSF纤芯中掺入低折射率材料P或F时，其谐振点发生变化，环芯波导Ⅰ中掺入P后会影响其谐振点。.（4）研究了包层模谐振传感器制备方法，实验研究了TCQSF包层模谐振传感器的温度与曲率特性。实验结果表明，不同长度的传感器温度灵敏特性均为73pm/℃左右，曲率灵敏度最大为-1.83001nm/m-1。.本项目研究过程中，项目组在国内外SCI、EI刊物或国际会议上发表学术论文7篇，申请国内发明专利2项，培养硕士研究生2名；项目组成员还积极参加该领域的国内外学术会议，与国内外同行进行了深入的学术交流，推动了课题的顺利进行。.综上，本项目研究成果实现了包层模谐振灵活可控的新型传感器，因此可以为研制特种光纤包层模谐振器件奠定理论和技术基础，对于新型光无源器件研制和“纤上实验室”的研究探索具有非常重要的参考价值和基础科学意义。