基于侧边抛磨微结构光纤耦合的光子晶体器件研究

Photonic crystal is one of the major research and development trend in the field of nano-optics. Its application is limited by the low coupling efficiency between photonic crystals waveguide and traditional waveguide. This project aim to design and fabricate novel fiber-photonic crystal devises with photonic crystal cavity on the side polished microstructure fiber. Via the electromagnetic field coupling between the fiber mode and the photonic crystal resonant cavity, the sensitivity of fiber optic devices will be largely increased due to the high quality factor (Q factor) of photonic crystal resonators. Moreover, because of the controllability of the microstructure fiber guided mode, the coupling strength between the side-polished fiber and the cavity can be sufficiently enhanced by matching the defect mode of the photonic crystal cavity with the guided mode of the microstructure fiber. The main content of this study include: Firstly, the composite analysis model will be established basing on the vector coupled mode theory on asymmetric structures, in order to provide insights into the regulatory mechanism of the photonic crystal cavity on the side polished fiber sensing system. Secondly, photonic crystal structures will be fabricated using the holographic lithography method while the side-polished photonic crystal fiber will be prepared using method with a motor-driven polishing wheel to fulfill the coupling requirements. Experimental techniques for precise coupling controls over the fiber-cavity-combination will be developed and applied to the designed systems. Finally, to explore the multi-parameter sensor array technology in photonic crystal fibers coupled with multiple cavities. This research project provides a new method for the application of photonic crystals. The novel developed fiber optic devices can achieve high integration, high spatial resolution and high sensitivity as well.

光子晶体是纳米光学研究领域的热门研究课题，其实用化研究受制于与传统光波导的匹配问题。本项目是将光子晶体谐振腔制作在侧边抛磨的微结构光纤上，实现光子晶体谐振腔与微结构光纤中模场的耦合。一方面利用光子晶体谐振腔高Q值的特性增强光纤器件的灵敏度；另一方面利用微结构光纤对传导模的可控性，使光纤导模与光子晶体谐振腔的缺陷模相互匹配，解决光子晶体与光纤的侧面耦合问题。研究的内容包括：基于耦合的光子晶体谐振腔与侧边抛磨微结构光纤复合光学模型，进行不对称结构的矢量耦合理论分析，并研究光子晶体谐振腔对侧边抛磨光纤探测系统的调控机制；使用全息方法制作光子晶体谐振腔，轮式法制备满足耦合要求的侧边抛磨微结构光纤，并研究谐振腔与光子晶体光纤的精密耦合技术。探索耦合多个谐振腔的多参量传感阵列技术。本项目的研究内容为光子晶体的应用提供了新的思维。所研制的新型光纤器件可实现高集成度、多参量、高空间分辨率及高灵敏度的传感。

光纤器件的微型化和集成化是目前光纤传感和光通信领域的研究趋势。本项目将光子晶体或微纳光纤环谐振腔制作在侧边抛磨光纤或侧边抛磨微结构光纤上，实现了微纳谐振腔与侧边抛磨光纤的侧边耦合，制成了微型化、功能集成化的新型全光纤器件。.本项目理论上完成了侧边抛磨微结构光纤和微纳谐振腔的耦合器件的传输特性的分析研究。建立了具有抛磨过渡区的侧边抛磨微结构光纤（D型微结构光纤）光学模型，建立了微纳光纤与光子晶体耦合器件的光学模型，一维、二维金属光子晶体结构传输特性光学模型，三维微纳光纤环形谐振腔与侧边抛磨单模光纤的耦合光学模型等，进行了理论计算，为实验研究提供了指导。.实验上完成了在侧边抛磨光纤抛磨面上制备大面积光子晶体结构的多种制作理论及关键技术研究。成功的使用多种方法（包括掩膜法、全息法及自组织生长法等）在侧边抛磨光纤的狭长抛磨面上制备了短周期布拉格光栅、长周期光栅、三维面心立方光子晶体结构以及三维无序纳米微孔结构，并成功应用于制作光可控带阻滤波器件及温度传感器件等全光纤器件。创造性地研制了基于自组织生长方法的新型三维微结构光纤。.完成了微纳谐振腔与侧边抛磨光纤精密对准技术、封装技术及测试技术的研究。利用相位调控方法，实现了复杂光学晶格（如带周期缺陷光子晶体、准晶光子晶体等）的纳米级平移；创新性提出使用侧视光强特征法实现微结构光纤轴向方位角的确定；发明了一种基于数字全息技术的光纤几何参数测量方法，该方法能实现对侧边抛磨光纤抛磨剩余厚度的直接、无损测量。以上技术的研究提高了实验的精度与效率。掌握了侧边抛磨光纤与微纳谐振腔的精密对准及封装技术，完成了微纳光纤环形谐振腔与侧边抛磨光纤耦合的精密对准以及封装，成功制作出基于微纳光纤环形谐振腔与侧边抛磨光纤耦合的上下载滤波器。.利用本项目所研制的光纤侧边抛磨技术，将侧边抛磨光纤与新型二维材料、混合液晶薄膜等相结合，创新性地制作了新型光纤器件，以及温度、湿度、折射率和紫外光功率等光纤传感器。.本项目的创新点在于：1.获得了在侧边抛磨光纤狭长抛磨面上制作大面积一维、二维及三维光子晶体结构的关键技术；2.获得了侧边抛磨光纤与微纳谐振腔相耦合的理论模型和关键制作技术；3.提出了微结构光纤轴向方位角的侧视光强特征测量方法；4.提出了基于数字全息技术的光纤几何参数测量方法；5.将本项目研制的侧边抛磨光纤与新型二维材料相结合，制成了性能优异的光纤传感器。