1、1毕业设计开题报告电子信息科学与技术微纳光纤的光学传输特性研究一、选题的背景与意义近年来，器件的微型化成为科学研究和技术应用的趋势之一，与电子器件相比，光子器件的微型化的研究刚刚开始。从商业的角度来看，光子器件的研究源于超大量数据传输的光纤通讯行业。光纤网络的铺设实现了光子的回路，而在目前的光子回路里，光子器件的尺寸比较大。如此以来，微型光子器件的设计和集成成为光子学领域发展的重要研究课题。微电子学技术领域也有发展微纳尺度上光子学技术的内在要求。随着集成电子技术的进展，单位电子芯片面积上的集成器件越来越多，芯片间的通讯速度成为集成电子技术的一大瓶颈，研究者们开始考虑用电子器件间微纳光波导的光互
2、连的办法解决这个问题。在这样的研究背景下，微纳尺度上的光子器件及集成进入研究者的视界。随着对微纳尺度上的材料和光学研究的深入，研究者在微纳尺度发现了非常有趣的光学现象，并基于这些现象研究具有各种功能的微纳光子学器件。微纳光波导是这些光学现象和器件实现的最基本的单元，成为研究微纳光子学现象和构筑光子学器件的基石。微纳光纤是一种典型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注。将玻璃材料通过不同方法制成微纳米直径的光纤具有很好的直径均匀度和表面光滑度，可用于低损耗光传输，并可在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性，在光通信、传感和非线性光学等领域具有良
3、好的应用前景。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能，例如微纳传感器，微纳激光器，微纳干涉仪等。本文主要对微纳光纤中微米级光纤的光强分布特性的进行研究，可作为的微纳光纤器件制备的参考。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21基本内容本课题建立了空气包层的微纳光纤模型，推导单模传输模式下微纳光纤的光传输速度、色散方程以及能流密度（光强分布）方程，利用MATLAB软件模拟计算微光纤光强分布与微光纤直径，材料折射率等参数之间的关系，以及微纳光纤倏逝波场的传播特性。本课题的研究可为微纳光纤器件的制备提供理论依据，具有一定的参考价值。2拟解决的主要问题1）了解传统标准光纤和微
4、纳光纤的区别，掌握微光纤的结构特点和光传输特性，2）推导微纳光纤光强（能流）的方程表达式，理解微纳光纤光强分布与光纤直径、材料折射率等参数之间的关系。3）利用MATLAB的数值计算功能对微光纤结构参数进行模拟，得到微光纤光强分布与微光纤直径、材料折射率、入射光波长之间的关系图，以及微纳光纤倏逝波场的传播特性,从而对实际制作微纳光纤的参数选择提供参考。三、研究的方法与技术路线本课题主要研究微纳光纤的传输特性，通过推导微纳光纤光强的方程表达式，分析影响微纳光纤光强分布的主要因素，并利用MATLAB软件进行数值模拟计算，得到光强分布与微光纤直径、入射光波长、微光纤材料折射率之间的关系图。1研究的方法
5、微光纤的结构如图1所示。图中粗的部分是标准光纤部分，细的部分是拉制的微光纤部分，中间的锥形是从标准光纤到微光纤的过渡区。3图1高温拉制法拉制出的微光纤当光纤的直径达到10M以下，光在光纤中的传播会发生一些变化。设芯径、包层、空气层的折射率分别为1N、2N、3N，芯径半径为A，包层半径为B。设电磁波沿Z轴传播，传播分量分别为ZE、ZH。由电磁场理论可知，ZE、ZH在均匀的光纤介质中满足亥姆赫兹方程2222022110ZZERKNHRRRR1其中，1/2000KC代表光传播的波数，为纵向传播常数，W为角频率，0为空气中的介电常数，C为光速。当22200KN时，通过解方程可以解出传播波的表达式；当2
6、2200KN时，通过修正方程可以解出传播波的指数增加和衰减趋势。因此，可以解出1223,0,MCZMMCMCAIURFRAEBJURCYURFARBDKURFRB21223,0,MSZMMSMSAIURFRAHBJURCYURFARBDKURFRB3其中，MI、MK、MJ、MY为贝赛尔函数表达式。222101UKN，4222202UKN，222303UKN，COSEXPCMFMJWTZ，SINEXPSMFMJWTZ。在计算中，假设光纤内部芯径和包层的折射率相等，是均匀分布的材料，折射率为1N，微光纤半径是A，外面的包层是空气层，折射率为2N，如图2所示。图2空气包层微光纤模型则该微光纤的折射率
7、分布为12,0,NRANRNAR（4）通常在微光纤中，我们常常只考虑光的单模传输模式。因此，在方程（2）、（3）中，令M1。并根据空气包层微光纤模型，又令2N1N，3N2N，BA得1112,0,CZCAIURFRAEDKURFRA（5）1112,0,SZSAIURFRAHDKURFRA（6）以上的公式是推导计算单模光纤传输条件下微光纤中的基模能量分布（光强分布）、群速度和色散大小的基础。2具体的技术方法以及步骤首先，了解微光纤的基本结构和光传输工作原理，通过熟知微光纤的工作原理以及结构性能，理解光强分布的实质意义，进一步理解微光纤的工作过程。其次，数学分析，首先建立数学模型，然后通过数学推算，
8、得出光强分布、传播速度等关系式，再通过这些关系式分析微纳光纤的传输特性。5第三，利用MATLAB软件进行数值计算，得到微光纤的直径、材料折射率等参数变化与光强分布的对应关系，以及微纳光纤倏逝波场的传播特性,并利用图形将这些变化关系直观地表示出来。四、研究的总体安排与进度A2010年12月初2010年12月末，查阅微纳光纤光学传输特性相关资料，撰写文献综述，深入了解课题的相关内容及背景，同时制定完成本课题的计划和步骤，完成开题报告；B2010年12月末2011年2月中旬，推导微纳光纤传播速度、光强分布方程等公式，得到微纳光纤传输特性影响因素，并学习使用MATLAB软件，掌握软件中的数值计算部分内
9、容，完成外文文献翻译；C2011年2月中旬2011年4月中旬，利用MATLAB软件计算微纳光纤光强分布影响因素以及微纳光纤倏逝波场的传播特性，并描绘出各种关系曲线图；D）2011年4月中旬2011年5月初，总结课题，整理数据并撰写论文。五、主要参考文献1KIENFL，FIELDINTENSITYDISTRIBUTIONSANDPOLARIZATIONORIENTATIONSIAVACUUMCLADSUBWAVELENGTHDIAMETEROPTICALFIBER，OPTICSCOMMUNICATIONS，2004，242（4）4452BALYKINVI，ATOMTRAPPINGANDGUIDI
10、NGWITHASUBWAVELENGTHDIAMETEROPTICALFIBER，PHYSICALREVIEWA，2004，70（1）143GILBERTOBRAMBILLA,VITTORIAFINAZZI,ANDDAVIDJRICHARDSON，ULTRALOWLOSSOPTICALFIBERNANOTAPERS，2004，225922624GBRAMBILLA，FXUANDXFENG，FABRICATIONOFOPTICALFIBRENANOWIRESANDTHEIROPTICALANDMECHANICALCHARACTERIZATION，ELECTRONICSLETTERS，2006，4
11、2（9）5175185李林，肖循，光的全反射中倏逝波的研究，武汉科技学院学报，2006，18（12）37386童利民，潘欣云，亚波长直径光纤的光学传输特性及其应用，物理，2007，36（8）6266287王守绪，何为，孙睿，图形化技术在纳米器件制造中的应用研究进展，材料导报，2006，91061088童利民，姜校顺，李宇航，掺杂微纳光纤制备及应用，中国光学，2007,442169杨国光等编著，微光学与系统40640710任卫红，赵楚军，文双春，平顶模式微纳光纤的色散特性，激光与光电子学进展，2010,47181911赵浙明，沈静飞，倏逝波在一维氧化硅亚微米波导线中传输特性的研究，嘉兴学院报，2
12、010,22（3）586012赵攀，隋成华，叶必卿，微纳光纤构建MZ干涉光路进行液体折射率变化测量，浙江工业大学学报，2009,37333233413童利民,楼静漪,纳米光纤传感器,激光与光电子学进展，2005,42（12）29614姚蓓，黄剑锋，用于单细胞研究的纳米光纤生物传感器，中国光学，2007,44（3）57587毕业设计文献综述电子信息科学与技术微纳光纤的光学传输特性研究摘要微纳光纤是一种典型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注将玻璃材料通过不同方法制成微纳米直径的光纤具有很好的直径均匀度和表面光滑度，可用于低损耗光传输，并可在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、
13、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性14，在光通信、传感和非线性光学等领域具有良好的应用前景。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能，例如微纳传感器，微纳激光器，微纳干涉仪等。关键词微纳光纤，低损耗，倏逝波。1引言虽然普通标准光纤应用已经相当广泛，但是随着科学技术的发展，微纳光纤的诞生必然的。近年来，科技研究应用的趋势之一就是器件的微型化，相比较电子器件，研究光子器件的微小化才起步。对光子器件微型化的研究，一个方面是光纤通信行业对高速数据传输的要求，另一个方面是虽然光纤回路网络已经架设好，但在现在的光学网络里，光子器件的大尺寸还是无法满足要求。而发展微纳尺寸上光学技术
14、也是微电子学技术领域的根本需求。由于电子技术集成度的进步，单位面积上的电子芯片数量大大提高，芯片间的通信数据量成为集成电子技术的一道难关，这个时候，使用微纳光波导来实现电子芯片间通信的办法进入研究者的视野。随着对微观尺度材料的光学特性的持续研究，研究人员发现了一些很具有研究价值的光学现象，并通过这些现象研究具有各种作用的微观光学设备。而具备这些光学现象的最小单元就是微纳光纤。对微纳光纤的研究，人们很早就开始表现出兴趣。早在19世纪80年代，英国科学家CVBOYS等人就报道过从高温熔融的矿石中拉制玻璃细线，并研究他们的机械特性和用途，当时他们将这些玻璃细线绕成线圈，作为推动电流计指针的弹簧4。但
15、是，直到上世纪六、七十年代后，随着对光波导深入研究以后人们开始考虑玻璃细线可以用来传输光4,5。8因为在很大的光谱范围，玻璃材料都是透明的，所以比较简单去获得很纯净的材料，并且传输损耗比较小，通过熔融拉制光纤，玻璃可以作为制作波导的相当好的材料。正是由于这个因素，光纤技术在接下来的40多年中得到了迅速进步。2微纳光纤的制备21高温物理两步拉伸法62003年，童利民教授使用火焰加热两步拉伸的方法，从玻璃光纤拉制出了直径均匀性很好的微纳光纤。两步拉伸的方法如图1所示。首先，使用一步拉伸法将光纤拉细至微米量级。然后，为了在拉伸区域得到一个稳定的温度分布，我们用一个尖端直径大约为100M的蓝宝石光纤锥
16、来吸收火焰的能量，蓝宝石光纤的热惯性在光纤拉伸过程中起到保持温度稳定的作用。将微光纤的一端绕在蓝宝石光纤锥上并放置于火焰边缘处，调整火焰至合适温度约2000K，就可以进一步将光纤拉细至纳米量级。拉伸速度一般为110M/S。图1两步拉伸法22局域熔化玻璃材料直接拉制法8虽然上述高温拉伸方法可以很容易地制备高质量的微纳光纤，但是由于需要使用玻璃光纤作为原材料，所以可用以制备微纳光纤的材料就受到限制。局域熔化玻璃材料直接拉制法解决了这一问题。如图2所示，首先使用火焰将一根蓝宝石光纤（直径为数百微米）的一端加热至足够高的温度，将一块玻璃原料接近蓝宝石光纤的高温端由于局部熔化，光纤顶部融入玻璃中；将玻璃
17、一开，将玻璃移开，光纤顶部留下一部分熔融的玻璃；将另外一根蓝宝石光纤顶部浸入附着在第一根蓝宝石光纤顶部的熔融玻璃中；减小加热功率，使熔融玻璃的粘滞度增大至适合拉丝的程度，以一定速度（比如1M/S）拉开两根蓝宝石光纤，直至两根光纤之间形成的玻璃丝平稳拉断，在拉断的两端就形成了微纳光纤。该方法可以直接使用块体玻璃作为原材料，获得的微纳光纤可以保留初始玻璃中的掺杂成分和浓度，还可以用来拉制玻璃粉末。9图2局域熔化块体玻璃直接拉直法23电子束刻蚀9电子束刻蚀是通过控制高能电子束在电子束敏感材料电子束光刻胶上引起的物理或化学变化来制备掩模板的一种微纳加工方法。高能电子束在光刻胶上曝光后。用化学溶剂洗去曝
18、光正胶或未曝光负胶区域。留下的区域形成所需图形的模板。在电子束刻蚀中。一般需要使用高能电子25KEV。当被加工材料尺寸很小时。入射电子束与材料相互作用产生的二次电子是决定线宽的重要因素。另外电子束焦斑的尺寸和光刻胶的材料特性也是线宽的决定因素。目前。电子束刻蚀技术正在朝高能高亮度方向发展电压约100KEV。电子束斑直径可以达到几个纳米。使用这样的设备。可以制备的最小特征尺寸已经可以达到LONM量级。图23所示是用电子束刻蚀制备的典型光刻胶掩模板的SEM照片。获得了小于20NM的线宽图3电子束刻蚀制备掩模板的SEM照片24化学生长法化学方法一直是制备新型材料的重要途径，通过化学反应即通过旧化学键
19、的断裂和新化学键的生成实现院子、基团等之间的重新组合以获得性能更佳的物质。用化学生长技术已经10可以制备出许多纳米尺寸的材料，常用的基本法有水热生长法、化学气相沉淀技术和电化学生长方法等。25纳米压印法纳米压印技术是核心在于使用弹性模板作为图形转移的媒介，故又称为软刻蚀技术。与传统刻蚀技术相比，它能够实现曲面刻蚀、制备三维结构，可以方便地控制接粗印刷表面的物理化学性质，用无机分子、有机分子及其复合物获得微纳器件。26其他方法7其他方法还有分子组装技术，纳米加工技术，薄膜技术等。3微纳光纤的光学传输特性虽然人们对传统光纤的光学传输特性已经进行了很好的研究，但是以前很少考虑光纤直径小于传输光的波长
20、的情况。从理论上来说，如果已知材料特性，亚波长直径光纤的光学传输特性可以通过严格求解MAXWELL方程得到。由于光纤的尺度很小，必须使用MAXWELL方程的精确解15。在柱坐标系中求解具有理想圆柱对称的微纳光纤模型的步骤如下假定光纤长度足够长，光纤内部折射率均匀分布，外部为空气或水等均匀折射率环境。由于光纤的直径一般大于L0NM，所以仍然可以假定微纳光纤的折射率与大块玻璃一致。在这些前提条件下，将试探解代人MAXWEL方程并结合圆柱对称的边界条件后，就可以得到关于传播常数的本征方程。使用计算机数值求解，就可以得到传播常数的数值解，进而可以计算出微纳光纤中光的传导模式、单模条件、电场和能量分布、
21、群速度以及波导色散等一系列传输特性。通常，要使空气中的微纳光纤单模工作，即只支持基模HE模传输，光纤的直径必须小于传输光的波长6。例如，对于常用的波长为633NM的HENE激光，氧化硅光纤折射率约为146的直径必须小于460NM才能单模工作；对于高折射率的碲酸盐光纤折射率约为205，单模工作要求直径小于270AM。微纳光纤中传输光场能量的典型空间分布坡印亭矢量5如图3所示，光纤直径分别为200NM和400NM，材料为氧化硅，传输光的波长为633NM，其中圆柱光纤内部为被约束的传导电磁场，外部为被约束在光纤周围空气中的倏逝场。对于400NM直径的光纤，大部分光能量在光纤内部传输约占72，显示出微
22、纳光纤对传输光场的强约束能力对于研制小尺寸光子器件和发展高密度光学集成十分有利；当光纤直径减小到200NM时，大部分大于90光能量转移到光纤表面附近区域，以围绕光纤的倏逝波形式传输，这种大比例倏逝波传输的特性在光学耦合和传感等应用中具有独特的优势。11图4直径分别为200NM和400NM的光纤传输波长为633NM的光沿传输方向的坡印亭矢量研究表明11由于波导外表面传输的倏逝波的影响，亚微米光波导的传输损耗将随着外部环境折射率的变化而变化波导尺寸越小、环境折射率越大，传输损耗越大这种倏逝波的传输方式非常适用于高灵敏度探测，可应用于光化学传感器和生物化学传感器的设计另外，波导色散的计算结果表明，微
23、纳光纤的波导色散可以达到NSNMKM量级，比一般光纤大1到3个数量级，而且零色散波长随直径的减小而减小，使其在与色散相关的光通信和非线性光学等领域具有潜在的应用价值。有学者研究得出结果表明,平顶模式微纳光纤的色散特性10，在0316LM波段内,当改变光纤中心凹陷部分折射率取值时,其波导色散曲线随着折射率的增大红移,而且曲线极小值减小包层折射率值变化时的规律与图5A正好相反当改变光纤芯径大小时,其波导色散曲线极小值的减小幅度随芯径的增大呈逐渐增大趋势,但未有曲线移动现象,极小值点均出现在06LM波长处。但不管改变光纤的折射率还是芯径大小,在1316LM长波段范围内,其波导色散曲线增势趋于平稳,值
24、渐趋于零,尤其芯径大小发生变化时,这种趋势更明显。图5不同N1（A），N3（B），A（C）时的光纤色散特性曲线利用图6所示的耦合方式可以测量微纳光纤的传输损耗6。初步测试结果表明，对于单模运行的微纳光纤，在材料的透明波段，光损耗值可低于01DBMM。最近，英国SOUTHAMPTON12大学和BATH大学的研究人员在进一步改进制备和测试条件后，在1551XM波长处获得了低于001DBMM的单模传输损耗。与其他类型的亚波长直径光波导如表面等离子体波导相比，微纳光纤的损耗一般可以低1到5个数量级。图6微光纤耦合法测量传输损耗示意图4微纳光纤的应用由于微纳光纤具有小尺寸、低光学损耗、强光场约束、倏逝波
25、传输、大波导色散、抗拉强度高和易于弯曲等特性，并且可以保持传输光的相干性，所以在光通信、传感和非线性光学等领域均具有潜在的应用价值，特别是在减小器件尺寸、提高器件性能和集成度等方面。通过微纳操纵，微纳光纤已经被成功地组建成耦合器，谐振腔和激光器等微纳光子器件。41微纳光纤结行激光器8图7掺杂微纳光纤环形结激光器（A）激光器示意图（其中插图为微光纤环的光学显微镜照片）（B）ER、YB共掺磷酸盐玻璃微光纤环形结激光器输出的单纵模激光42用于单细胞研究的纳米光纤生物传感器13纳米光纤生物传感器是近场光学原理的具体应用14激光经过光纤探针尖端固定有敏感试剂送入调制区,使被测物质与试剂发生相互作用,引起
26、光的强度、波长、频率、相位、13偏振态等光学特性发生变化,被调制的信号光经过光纤送入纳米传感器转化为电信号再通过信号处理装置,最终获得待分析物的信息。图8检测单个细胞的纳米光纤生物传感器实验平台43微纳光纤MACH一ZEHNDER干涉仪光纤MACH一ZEHNDER干涉仪（MZI）是又一种被广泛应用的光学和光子学领域的器件通过光纤传导的两束光经历不同的光程后输出到自由空间，并在空间某处发生干涉。当输入单一波长的光时，干涉处形成空间中明暗相间的干涉条纹川若输入宽带光源，干涉处的光谱为峰谷相间的正余弦函数光纤中传输的光若受到外界环境的影响而改变了传播常数和光程，则干涉条纹会发生移动或透射光强会发生变
27、化基于上述的工作机理，光纤MZI广泛应用在温度和压力传感器中此外，光通讯中的上行/下载滤波器也可以由多级MZI实现。5总结和展望与电子器件类似，微型化也是光子器件的发展趋势，在波长和亚波长尺度上实现对光束的操控是微纳光子器件的核心内容作为微纳光子器件的基石，微纳光波导成了研究的热点。作为典型的微纳光波导之一，微纳光纤具有制作方便、损耗极低、色散可调以及倏逝场较强等优异的性能引起了研究者们极大的关注。微纳光纤周围丰富的倏逝场非常有利于微纳光纤器件的微型化，可在亚波长尺度上通过对光的传输和调控，实现诸多功能除了常规光纤器件的功能而外，还能用于研究亚波长尺度上光与物质的相互作用。相信在不久的将来，微
28、纳光纤器件能够得到深入的研究和广泛的应用。主要参考文献1KIENFL，FIELDINTENSITYDISTRIBUTIONSANDPOLARIZATIONORIENTATIONSIAVACUUMCLADSUBWAVELENGTHDIAMETEROPTICALFIBER，OPTICSCOMMUNICATIONS，2004，242（4）4452BALYKINVI，ATOMTRAPPINGANDGUIDINGWITHASUBWAVELENGTHDIAMETEROPTICALFIBER，PHYSICAL14REVIEWA，2004，70（1）143GILBERTOBRAMBILLA,VITTORIAF
29、INAZZI,ANDDAVIDJRICHARDSON，ULTRALOWLOSSOPTICALFIBERNANOTAPERS，2004，225922624GBRAMBILLA，FXUANDXFENG，FABRICATIONOFOPTICALFIBRENANOWIRESANDTHEIROPTICALANDMECHANICALCHARACTERIZATION，ELECTRONICSLETTERS，2006，42（9）5175185李林，肖循，光的全反射中倏逝波的研究，武汉科技学院学报，2006，18（12）37386童利民，潘欣云，亚波长直径光纤的光学传输特性及其应用，物理，2007，36（8）62
30、66287王守绪，何为，孙睿，图形化技术在纳米器件制造中的应用研究进展，材料导报，2006，91061088童利民，姜校顺，李宇航，掺杂微纳光纤制备及应用，中国光学，2007,442169杨国光等编著，微光学与系统40610任卫红，赵楚军，文双春，平顶模式微纳光纤的色散特性，激光与光电子学进展，47,06060111赵浙明，沈静飞，倏逝波在一维氧化硅亚微米波导线中传输特性的研究，嘉兴学院报，2010,22（3）586012赵攀，隋成华，叶必卿，微纳光纤构建MZ干涉光路进行液体折射率变化测量，浙江工业大学学报，2009,37333233413童利民,楼静漪,纳米光纤传感器,激光与光电子学进展，2
31、005,42（12）29姚蓓，黄剑锋，用于单细胞研究的纳米光纤生物传感器，中国光学期刊网，2007,44（3）575814SNYDERAW，OLVEJDOPTICALWAVEGUIDETHEORYNEWYORKCHAPMANNADHAL，198315本科毕业设计（20届）微纳光纤的光学传输特性研究16摘要【摘要】微纳光纤是一种典型的微纳光波导，可用于低损耗光传输，并在光学传输中表现出倏逝波传输、光场约束和波导色散等特性。本课题介绍了微纳光纤的制备方法，建立了空气包层微纳光纤模型，推导出单模传输模式下微纳光纤的光传输速度、色散方程以及能流密度（光强分布）方程，利用MATLAB软件模拟计算微光纤光
32、强分布与微光纤直径，材料折射率等参数之间的关系，并分析了微纳光纤倏逝波场的传播特性。本课题的研究可为微纳光纤器件的制备提供理论依据。【关键词】微纳光纤模型；色散；能流密度；倏逝波ABSTRACT【ABSTRACT】MICRONANOFIBERISATYPICALMICRONANOOPTICALWAVEGUIDE。ITCANBEUSEDFORLOWLOSSOPTICALTRANSMISSION，ANDINOPTICALTRANSMISSIONPERFORMANCESTHEEVANESCENTWAVETRANSMISSION,WAVEGUIDEDISPERSIONANDOPTICALFIELDCO
33、NSTRAINTSANDOTHERCHARACTERISTICSTHISPROJECTINTRODUCEDTHEFABRICATIONOFMICRONANOFIBERANDESTABLISHEDAMICRONANOAIRCLADFIBERMODEL,DERIVEDMICRONANOFIBEROPTICALTRANSMISSIONSPEED,THEDISPERSIONEQUATIONANDTHEENERGYFLUXDENSITYINTENSITYDISTRIBUTIONEQUATIONINTHESINGLEMODETRANSMISSIONMODEUSINGMATLABSOFTWARE,WECOU
34、LDSIMULATEANDCALCULATETHERELATIONSHIPAMONGMICROFIBEROPTICALINTENSITYDISTRIBUTION,THEDIAMETER,ANDMATERIALREFRACTIVEINDEXANDOTHERPARAMETERS,ANDMICRONANOFIBEREVANESCENTWAVEFIELDTRANSMISSIONCHARACTERSTHESTUDYOFTHISPROJECTSFORFABRICATIONOFMICRONANOOPTICALDEVICESCOULDPROVIDEATHEORETICALBASIS【KEYWORDS】MICR
35、ONANOFIBREMODELOPTICALDISPERSIONFLUXDENSITYEVANESCENTWAVE17目录摘要16ABSTRACT16目录171绪论111光纤的发展112微纳光纤的产生213本课题的研究意义和研究内容2131研究意义2132研究内容32微纳光纤的制备421微纳光纤的制备进展介绍422高温物理两步拉伸法423局域熔化玻璃材料直接拉制法63微纳光纤的光学传输特性831微纳光纤的基本结构和光学传输原理832空气包层模型下的微纳光纤10321微纳光纤的能量分布特性14322微纳光纤的色散特性16323微纳光纤的倏逝场特性184微纳光纤的应用2241微纳光纤的应用简介22
36、42微纳光纤密排技术23421标准光纤密排在扫描系统中的问题23422对扫描黑区的解决方法微纳光纤密排235总结与展望25参考文献26致谢错误未定义书签。11绪论11光纤的发展光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。标准光纤一般由纤芯、包层、涂敷层和套塑组成。如图11所示，纤芯位于光纤的中心部位。它主要成分是高纯度的二氧化硅，其纯度高达9999999，其余成分为掺入的少量掺杂剂，如五氧化二磷P2O5和二氧化锗（GEO2），掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率，从而与包层一起形成光密到光疏的折射率阶梯层，并由此产生全反射。光纤虽然构造简单，但是光纤的发
37、展已经有40多年历史了1。图11光纤结构图1966年，英籍华人高锟（KCKAO）博士（他在2009年因为对光纤通信作出的伟大贡献而获得了诺贝尔物理学奖）第一次使用无线电波导通信的原理，将低损耗光导纤维（简称光纤）的概念提了出来，并预言光纤将成为通讯工具。1970年，美国康宁公司第一次成功研究出损耗为20DBKM1的石英光纤，作为传输媒介是非常理想的。同一时间，室温下能够连续振荡的半导体激光器LD被研制出来。1970年是光纤通信的元年，从这以后，进入了光纤通信迅速发展的时代。1974年，贝尔实验室利用“改进的汽相沉积法MCVD“制备低损耗光纤，光纤损耗下降到1DBKM1。1976年，日本电报电话
38、公司研究制备出损耗下降到05DBKM1的光纤。1976年，在亚特兰大，美国成功实施了447MBIT/S的光纤通信系统试验。日本电报电话公司进行了32MBIT/S、64KM突变折射率光纤系统的室内实验，13M波长的半导体激光器被成功研制。1977年，首次实际安装电话光纤网路。1979年，同一公司研究制备了02DBKM1的极低损耗石英光纤（15M）。1984年，实现了实用化光纤传输系统，速率为17GBITS1、中继距离50KM。1990年，155微米波长的中继距离超过100KM、速率为24GBS1单模光纤传输系统被开发。290年代以来，第四代光纤通信系统已经实现了在25GB/S速率上传输4500K
39、M的距离，利用光放大器增加中继距离和频分复用增加速率的方法，并可以使用相干接收方式，数量级地提高了系统的通信总量。12微纳光纤的产生近年来，科技研究应用的趋势之一就是器件的微型化，相比较电子器件，研究光子器件的微小化才起步。对光子器件微型化的研究，一个方面是光纤通信行业对高速数据传输的要求，另一个方面是虽然光纤回路网络已经架设好，但在现在的光学网络里，光子器件的大尺寸还是无法满足要求。而发展微纳尺寸上光学技术也是微电子学技术领域的根本需求。由于电子技术集成度的进步，单位面积上的电子芯片数量大大提高，芯片间的通信数据量成为集成电子技术的一道难关，这个时候，使用微纳光波导来实现电子芯片间通信的办法
40、进入研究者的视野2。随着对微观尺度材料的光学特性的持续研究，研究人员发现了一些很具有研究价值的光学现象，并通过这些现象研究具有各种作用的微观光学设备2。而具备这些光学现象的最小单元就是微纳光纤。对微纳光纤的研究，人们很早就开始表现出兴趣。早在19世纪80年代，英国科学家CVBOYS等人就报道过从高温熔融的矿石中拉制玻璃细线，并研究他们的机械特性和用途，当时他们将这些玻璃细线绕成线圈，作为推动电流计指针的弹簧3。但是，直到上世纪六、七十年代后，随着对光波导深入研究以后人们开始考虑玻璃细线可以用来传输光47。因为在很大的光谱范围，玻璃材料都是透明的，所以比较简单去获得很纯净的材料，并且传输损耗比较
41、小8，通过熔融拉制光纤，玻璃可以作为制作波导的相当好的材料。正是由于这个因素，光纤技术在接下来的40多年中得到了迅速进步。通过拉制熔融状态下玻璃材料而制造普通光纤的工艺，为微纳光纤的制备奠定了基础。微纳光纤可利用普通光纤的进一步拉锥来制备。拉锥光纤的历史大概有四十年9。因为玻璃材料的非晶性和粘滞特性，用热源在高温下将光纤加热至熔融状态，再慢速拉伸，即可得到拉锥区，它的直径大概几微米的。如果使用合适的加热设备，并准确地控制参数，如拉制的速率和加热的温度，可以严格限定拉锥的外形，并获得非常好的绝热拉伸10。关于微纳光纤的制备方法,将会在下一章中具体介绍。13本课题的研究意义和研究内容131研究意义
42、微纳光纤作为光子器件领域新的成员，相比较普通光纤已经体现出很多优势特点，例如具有低3损耗、大比例倏逝波传输、高色散区、强倏逝波耦合、低弯曲损耗11,12等一系列常规光纤所不具备的特性，而这些特性在微纳光子器件、光学传感、非线性光学和原子波导等方面具有潜在的应用价值，非常有必要进行深入研究。虽然我们对传统标准光纤已经作了深入地研究，对它们的特性已经有了理论的数据和实践的检验，但是微纳光纤与普通光纤是存在较大区别的，普通光纤一些特性上的数据已经对微纳光纤不适用了。所以我们有必要对微纳光纤的特性进行重新研究。本课题的研究意义便在于对微纳光纤的光学传输特性，如能量场分布，群速度和色散，以及倏逝场与微纳
43、光纤材料折射率，直径和入射波长之间的关系，进行理论研究，数值模拟出一些直观的图像，得出一些理论上的数据，这对于微纳光纤在应用方面，如微纳光纤器件的制备具有一定的参考价值。132研究内容本课题研究内容主要包括以下几点1，本论文先系统地阐述了微纳光纤的历史，然后由其展开对微纳光纤的制备和光学传输性质的讨论。2，阐述了微纳光纤的基本结构和光传输工作原理，通过对微纳光纤的工作原理以及结构性能的阐述，解释了光强分布的实质意义，进一步揭示了微纳光纤的工作过程。3，进行数学分析。首先建立微纳光纤的空气包层数学模型，然后通过数学推算，得出光强分布、传播速度等关系式，再通过这些关系式分析微纳光纤的传输特性。4，
44、利用MATLAB软件进行数值计算，得到微纳光纤的直径、材料折射率等参数变化与光强分布的对应关系，还有群速度和色散，以及微纳光纤倏逝波场的传播特性,并利用图形将这些变化关系直观地表示出来，并对这些图像进行理论分析。5，利用微纳光纤的倏逝场特性，对扫描系统中的光纤密排进行改进，理论上解决了扫描系统中扫描黑区的问题。42微纳光纤的制备21微纳光纤的制备进展介绍普通光纤传统的制备方法是使用火焰或激光加热玻璃光纤，然后把软化后的光纤拉细，拉细的光纤直径大约是几微米，比传输光的波长长，所以光纤只能在多模下工作。若想单模传输，光纤的直径必须减小到波长量级以下，但理论和实验的结果均表明15,16，拉制直径均匀
45、的亚波长直径光纤要求相当大的激光能量，现实中很难实现；如果使用火焰加热拉制亚波长直径光纤，火焰的紊流和空气的对流等因素影响拉区温度分布的稳定性，以至于使用一步拉伸的方法难以得到直径小200NM的均匀光纤。经过学者们的仔细研究，光纤拉锥法3应运而生。其中光纤拉锥法借鉴普通光纤拉制的过程，熔融状态下的玻璃材料拉伸出来的微纳光纤。由此获得的微纳光纤表面光滑、直径均匀、大长度，有利于以后的操作。举例来说，如果把除去涂覆层的单模光纤再拉细，那么纤芯和包层同等程度缩小。若光纤的直径比LM小，则纤芯直径约为几十纳米。由于纤芯与包层的折射率差约为0004，非常小，因此拉细后的光纤可以成为微纳光纤的芯层，而氧化
46、硅以外的空气则是微纳光纤的包层。这样的工艺可以方便的实现微纳光纤的制备。2003年，童利明使用两步拉伸法拉伸氧化硅光纤制备的亚波长直径微纳光纤，具有很好的光学传输低损耗特性3。第一步，把玻璃光纤用作微纳光纤的预制光纤，用酒精喷灯加热至熔融状态并拉伸，可将光纤直径减小到约几微米。第二步，把持续加热的蓝宝石光纤锥，作为热源，再将拉细的光纤缠绕在光纤锥的尖端，通过光纤锥传导的热量二次熔融已经拉细的光纤，将其进一步拉伸至亚波长甚至纳米量级。用这样的两步拉伸的方法可以便捷地得到直径约50NM的微纳光纤，其长度可达几个厘米12。22高温物理两步拉伸法2003年，童利民教授使用火焰加热两步拉伸的方法13，从
47、玻璃光纤拉制出了直径均匀性很好的微纳光纤。两步拉伸方法如图21所示。第一步，使用火焰或二氧化碳激光将玻璃光纤拉细至微米级。第二步，当进一步减少细光纤的直径时，为了获得一个稳定的温度分布，可使用一条尖端直径大约为80微米的锥形蓝宝石光纤去吸收火焰的热能，在拉制时，限定了火焰加热是在一个小范围内，有助于保持稳定的温度分布。微米直径玻璃细光纤的一段水平放置在蓝宝石锥上，然后调整火焰直到蓝宝石光纤尖端刚刚超过拉制温度（大约2000K）。然后，沿着蓝宝石光纤锥的轴心旋转它，在尖端周围缠绕玻璃细光纤。光纤圈离5开火焰越05MM以防被熔化，然后以110MMS1的速度垂直与于蓝宝石光纤锥轴心水平面拉制微纳光纤
48、。图21两步拉伸法中的第二步示意图A缠绕在蓝宝石光纤锥尖端的微米直径玻璃细光纤形成了光纤圈，并通过它拉制细光纤的示意图。蓝宝石光纤锥通过一个喷嘴直径约6MM的甲醇火焰来加热。以垂直于蓝宝石光纤锥的方向拉制光纤B拉制过程的放大角度。蓝宝石光锥确保温度分布在拉制区域保持稳定。在两步拉伸法中，为了得到直径均匀且较长的微纳光纤，第二步才是关键。若只用第一步控制拉伸的速度，也能得到直径较细的微纳光纤14，但直径不是很均匀,也很难得到直径小于200NM的均匀微纳光纤6。如图22所示。图22微纳光纤拉制的第一步得到的微光纤上图中较粗的部分是标准光纤部分，细的部分是拉制的微光纤部分，中间的锥形是从标准光纤到微
49、光纤的过渡区。利用上述的两步拉伸法制备所得的微纳光纤机械结构如图23所示13。6图23微纳光纤的电子显微图像AD，SEM图像；E，F，TEM图像。A，一根盘成圈总长度大约4MM的260NM直径玻璃细光纤。B，两根交叉的570NM和1100NM直径细光纤。C，两根平行的170NM和400NM直径细光纤。D，一根直径大约500NM的玻璃纳米光纤。E，一根240NM直径玻璃细光纤。F，330NM直径玻璃细光纤的表面；电子衍射图（插图）显示细光纤是不规则的。用两步拉伸法得到的氧化硅微纳光纤直径可细至50NM，其长度可达数十毫米。图23A所示为长约3MM直径约260NM的氧化硅光纤的扫描电镜照片，在这根微纳光纤中，直径的变化的最大量D8NM，即6102/LD。从图23B和图23C中也考研看出直径从50NM到1100NM的氧化硅微纳光纤有极好的直径均匀性，从图23E中看到直径230NM的氧化硅微纳光纤有极低的表面粗糙度13。23局域熔化玻璃材料直接拉制法虽然上述高温拉伸方法可以很容易地制备高质量的微纳光纤，但是由于需要使用玻璃光纤作为
