基于表面等离子体共振效应的放大光纤及应用研究

本项目基于表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance），利用原子层沉积技术（Atomic Layer Deposition，ALD）在光纤纤芯表面沉积上金属薄膜层，通过一定条件，达到表面等离子共振效应，进一步利用ALD技术在金属薄膜层上沉积增益介质来补偿SPR的光损耗，制备出一种新型的掺杂纳米材料的放大光纤，并探索出一种具有高增益、宽带宽、便于集成化的纳米光纤放大器。主要研究内容包括在光纤和金属薄膜层界面产生表面等离子体共振效应的条件、光的传输特性以及其局域场增强效应对实现光放大的可行性分析，并根据不同的实验条件（如温度、压强、控制时间等）研制出不同种类的光纤，通过对比，得出具有最佳放大效果的放大光纤。并基于此纳米放大光纤探索一种新型纳米光纤放大器，对其增益、带宽、信噪比等各项性能指标进行测试分析。这将为特种光纤的应用特别是放大光纤做出重要的贡献。

随着光纤通信技术向高速、大容量方向发展，对信息传输中的光电子器件集成化的要求越来越高，而目前的全光器件和光电子器件由于受到衍射极限的限制，尺寸很难进一步缩小，从而制约了全光器件和光电子器件的高度集成化的发展，使全光通信的进一步发展受到了极大的限制。近年来，有关表面等离激元的研究成为一个热点，因其具有独特的光学特性，突破了传统光波的衍射极限尺寸，为纳米尺寸的光电集成和全光集成的光纤通信器件的研制带来可能。.课题的主要研究内容为：.1、基于表面等离激元的研究方面，首先从理论上对金属-介质分界面上的电磁场分布进行了严密的推导，在此基础之上，对基于表面等离激元的对称、非对称环形结构光波导以及多环结构光波导等多种结构的性能进行了仿真计算，计算结果表明这些基于表面等离激元的光波导结构具有滤波器、光开关的功能，能够用于全光通信器件的研制。研究结果不仅完善了基于表面等离激元的理论计算，而且丰富了表面等离激元光器件研究内容。此外，课题组建立了一种在光纤的包层和纤芯之间沉积一层金属原子层的光纤模型，并在纤芯和沉积金属之间激发表面等离子体激元。通过求解了分界面上的电磁场，得到金属薄膜的参数与折射率、工作波长以及光纤模式之间的关系，并研究了随着介质折射率的变化，光纤的传输特性的变化情况，得出金属原子层的厚度为55nm以及长度为500nm为最佳沉积效果的结论，为制备该种光纤奠定了基础。.2、基于表面等离激元放大光纤增益介质的研究方面，课题组采用绿色水热法制备了还原氧化石墨烯-氧化锌纳米棒以及还原氧化石墨烯-氧化铈纳米线复合材料，进一步通过拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱以及紫外可见光吸收谱测试表明复合材料中金属氧化物与还原氧化石墨烯纳米片层之间存在电荷件的相互作用，同时证明了，在复合材料体系中一定含量的还原氧化石墨烯（5%-10%）的引入不仅可以提升催化剂对染料分子的吸附能力也可以促进光生电子空穴对在空间上的分离从而提升其光催化活性。.3、利用基于表面等离激元的放大光纤，对光纤通信系统中的色散和非线性效应进行了理论建模和仿真分析。从仿真结果来看，DBP可以有效实现对系统中色散和非线性效应的联合补偿，且对称分布傅里叶算法的性能要优于非对称傅里叶算法。.课题的研究成果表明，课题组在项目完成的过程中紧扣项目计划内容，所完成的研究内容丰富了该领域的研究成果，具有学术价值及科学意义。