基于选择性填充微结构光纤双折射特性调控机理及其应用研究

Microstructured fibers (MOFs) are a new type of optical fibers developed in recent years, and their distinguished structures and properties have been exploited in various fiber-optic applications. Furthermore, the micro/nano-scale air holes in MOFs make it possible for the combination of optical fibers with functional materials, which would be of great significance for the research on the light-matter interaction and development of fiber-based opto-electronic devices as well as sensing components. By selectively infiltrating high index functional materials into MOFs, novel asymmetric structures can be proposed, and special guiding mechanisms can be realized. This will make the MOFs based on selective-filling present various novel birefringent characteristics and new mechanisms. In addition, the birefringence properties of the filling MOFs can be controlled by the external field which can change the nature of functional materials. Hence, studying the MOFs based on functional materials selective-filling has important theoretical research value and practical significance. This project will firstly propose and develop birefringent MOFs with a variety of selective filling structures, and further study the physical mechanism, scientific and technological problems between the transmission mechanism, mode coupling and birefringence characteristics. Then, the theory, technology, physical phenomena and applications based on the transmission and birefringence features of the filling MOFs under the control of external field will be researched, which will provide wider space to develop novel controlled photonic devices.

微结构光纤是近年来发展起来的一种新型光纤，它独特的结构和特性大大地扩展了光纤的应用领域。而且其微纳尺度的空气孔也为光、电、磁、热等可控的功能材料的集成提供很大的便利，对研究微结构光纤中光与填充物质的相互作用规律以及研制高性能可调控的光纤通信和传感器件具有重要意义。将高折射率功能材料选择性填充入微结构光纤中，不仅可以提出新颖的不对称结构，实现特殊的传导机制，产生诸多新奇的双折射特性和新机理，而且可以利用外场对功能材料性质的改变来调控微结构光纤的双折射特性，具有重要的理论研究价值和实用意义。本项目首先提出并研制具有多种选择性填充结构的双折射光纤，深入研究其传导机制、模式耦合、双折射等特性间的诸多物理机理和科学技术问题，然后开展对填充的微结构光纤在外场调控下的传输、双折射等特性的理论、技术、物理现象和应用的研究，为研制新型可控的光子器件提供更为广阔的空间。

微结构光纤将光子晶体微结构引入到光纤截面中，实现了对光的局域化和传播特性的调控。它独特的结构和特性大大地扩展了光纤的应用领域，引起了科学界研究者的极大青睐。微结构光纤中微纳尺度的空气孔结构为实现光纤与其它材料的有机结合提供了条件。将具有特殊光、电、磁、热等特性的功能材料填充入微结构光纤中，对研究微结构光纤中光与填充物质的相互作用规律以及研制高性能可调控的光纤通信和传感器件具有重要意义。本项目主要将各种高折射率功能材料和微结构光纤集成，提出并研制具有多种选择性填充结构的双折射光纤，深入研究了其传导机制、模式耦合、双折射等特性的物理机制和科学技术问题，开展了对填充微结构光纤在温度场、应变场、光场等外场调控下的传输、双折射等特性的理论、技术、物理现象和应用的研究。项目中通过对折射率引导型微结构光纤特定空气孔选择性填充高折射率液体，实现了折射率引导和光子带隙引导混合传导的微结构光纤。纤芯传导基模和高折射率柱模式的耦合机理揭示了微结构光纤具有特殊的双折射特性，即相双折射呈现非单调的变化趋势，相双折射和群双折射在特定波长会呈现0值。该类型双折射微结构光纤在外界温度场、应变场以及光场的影响下呈现多样新奇的传输和传感特性，例如在特定波长处温度灵敏度为0，或者可以实现无穷大的传感灵敏度。实验上，在不同填充结构的双折射微结构光纤中实现了56.5℃时高达-45.8nm/℃（112,531 nm/RIU）的温度（折射率）灵敏度，在应变范围61 με至789 με内25 pm/με和12pm/με的应变灵敏度。另外，通过对该种微结构光纤施加532 nm的连续激光，光子带隙内部大于200 nm的波段会呈现大于20 dB的衰减，为实现新型的宽带光控开关提供了新的方法。该项目的研究为实现新型的双折射光纤提供了理论和实验基础，为研制多种高灵敏度可控的多参量传感器以及光子器件提供了广阔的空间。