太赫兹光子晶体光纤的理论分析与制作

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赫兹(THz)波是指频率介于100 GHz-10 THz范围内的电磁波,太赫兹波的频率介于毫米波与红外线之间,所以对太赫兹波以及太赫兹相关器件的研究即可以采用微波电磁场的方法,也可以采用光学的方法。太赫兹波有很多优越的特性,在国防、航天、医学领域都有非常广泛的应用,所以对太赫兹技术的研究具有非常重要的学术和应用价值。目前,对太赫兹技术的研究已经有了许多突破,出现了商品化的太赫兹源,以及太赫兹探测器,太赫兹波导、谐振器等功能器件。光子晶体光纤(PCF)的研究已经经历了十几年的历史,对光子晶体光纤的研究也取得了许多成果。光子晶体光纤与传统光纤相比,具有许多新奇的特性,如无截止的单模传输特性,奇异的色散特性,高双折射特性等。太赫兹光子晶体光纤作为太赫兹波导器件也是近年来研究的热门领域。对光纤的特性进行分析的方法分为解析法和数值法,由于光子晶体的结构较为复杂,所以目前适用于光子晶体光纤分析的方法是数值计算法。本文比较了常用的数值计算方法,并结合各种方法的优缺点和所设计光子晶体光纤的特点,选用了多极法(Multipole Method)作为分析太赫兹光子晶体光纤的数值计算方法。本文在分析传统光子晶体光纤结构与特性的基础上,提出了一种适用于太赫兹频段的新结构:48孔矩形晶格光子晶体光纤。这种新结构的光子晶体光纤在太赫兹频段具有低损耗、低色散和高双折射的特性。通过多极法数值计算的分析,证明这种结构达到了预期的效果。在数值分析之后,我们根据设计的光纤结构,提出了制作太赫兹光子晶体光纤的方案,并将方案付诸实现,采用模具灌注的方法制作出光纤的样品。本文的主要创新点有:将多极法应用于太赫兹功能器件的分析和研究。多极法具有计算速度快、计算结果精确等优势,可以计算其它数值方法(如FDTD方法)不能计算的某些光纤参数如模式损耗和群速等。设计了一种用于太赫兹频段低损耗,低色散和高双折射的新型48孔矩形结构的光子晶体光纤,并利用多极法对上述结构进行了数值计算分析,达到预期的效果。
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