基于偶氮苯的复合周期性微结构光纤功能器件机理及应用研究

In this project, by using the two-dimensional microstructured optical fibers (MOFs) as the carrier media, integration of azobenzene materials with MOFs will be implemented based on the liquid-infiltration and film coating methods, respectively. The mode propagation and resonance coupling mechanisms of the MOFs integrated with azobenzene materials will be studied, and furthermore, axial refractive index modulation will be introduced in the MOFs as well as azobenzene materials to construct the micro/nano waveguides with composite periodic structures. Based on various intriguing optical features caused by the unique photo-isomerization effect of azobenzene materials, the manipulation and control mechanism of the photonic bandgap and mode coupling characteristics of these micro/nano waveguides will be thoroughly investigated. And based on the theoretical achievements, the light-tuned mechanism of different optical features, including fiber birefringence, dispersion, polarization, photonic bandgap, and mode coupling, etc., as well as their related applications will be further investigated. Through our investigation of the propagation behavior as well as diffraction mechanism of the photons in periodically structured micro/nano waveguides, key scientific issues such as the kinematic regulation governing the propagation of photons in micro-/nano-scale optical waveguides and their interaction with different media will be investigated from an in-depth perspective. Moreover the universal theory for the design of various related micro/nano structured optical fiber functional devices would be set up. And ultimately a series of novel photonic functional devices will be developed to meet the practical requirements in different fields such as optical communications and optical sensing, etc.

在本项目中我们将以具有二维结构的微结构光纤作为载体，分别通过材料填充和涂敷功能材料薄膜两种方式实现偶氮苯材料与微结构光纤的集成，研究集成偶氮苯材料的微结构光纤中模式传导机制及其谐振耦合机理，并在此基础上通过在微结构光纤和偶氮苯材料中引入光纤轴向周期性折射率调制形成具有复合周期性结构的微纳光波导，基于偶氮苯材料独特的光致异构效应所导致的各种新奇光学特性，对其中的光子带隙及模式耦合特性的调控机理进行深入研究。在理论研究成果的基础上进一步开展对光纤双折射、色散、偏振、光子带隙、模式耦合等特性的光控调谐机制和相关应用的研究。通过对复合周期性结构微纳波导中光子的运动行为和衍射规律的研究，将揭示光子在微纳尺度光波导中的运动学规律及其与不同介质的相互作用机制等科学问题，进而为各种相关微纳结构光纤功能器件的研制提供普适理论，最终研制出一系列满足光通信、光传感等领域应用需求的新型光子功能器件。

本项目以截面具有周期性折射率分布的微结构光纤为载体，旨在研究集成偶氮苯材料的微纳光纤器件中模式传导机制及耦合机理，并基于功能材料的新奇光学特性，对器件的模式传导及模式耦合特性的调控机理进行深入研究，进而为各种相关微纳结构光纤功能器件的研制提供普适理论，研制出一系列满足光通信、光传感等领域应用需求的新型光子功能器件。围绕以上的研究目标，我们的研究工作主要在以下方面展开：..① 建立分析复合周期性微结构光纤中模式传导与模式耦合特性的理论模型，进一步基于偶氮苯材料的光致异构特性，掌握偶氮材料集成的微纳结构光纤器件中的模式耦合特性的外场调控机制；.② 掌握在截面具有周期性结构的微结构光纤中写制光纤光栅及制备相关光纤器件的工艺，为后续研究提供实验平台及技术储备；.③ 面向光通信、光传感等领域的应用要求，充分利用偶氮苯等功能材料的独特理化性质，研究光纤的功能材料集成工艺，设计并实现基于功能材料集成的新型光纤功能器件。.. 我们在集成偶氮苯的微结构光纤光栅理论研究、填充偶氮苯的微结构光纤光栅写制技术、基于偶氮苯材料集成的光纤模间干涉型功能器件、基于偶氮苯材料集成的回音壁模式功能器件、基于功能材料的光纤功能器件等方面开展了系统的研究。其中最具代表性的研究工作包括：基于偶氮材料的光致异构特性实现了对光纤模间干涉器件透射光谱特性的光控调谐；基于M-Z光纤干涉仪实现了对乙基橙溶液光致双折射特性的测量；利用偶氮薄膜涂敷光纤回音壁模式微瓶腔实现了对回音壁模式谐振波长的光控调谐；设计了一种法诺谐振回音壁模式传感器件，通过在其表面涂覆偶氮苯薄膜，基于材料光致异构特性对法诺谐振光谱进行光致调谐，拓展了传感器的折射率传感范围；设计了集成偶氮苯材料的回音壁模式微腔，可以实现对奇异点状态的光控调谐；设计并实现了基于DNA探针的光纤pH值传感器；基于双频液晶填充柚子型微结构光纤包层空气孔，实现了对回音壁模式特性的电场调控。