微结构波导及器件的设计与应用电子书

内容提要

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前言

第1章 微结构波导器件介绍

1.1 基本概念

1.1.1 集成光波导

1.1.2 光纤波导

1.1.3 光子晶体波导

1.2 典型的传导机理

1.2.1 全内反射型导光机理

1.2.2 空芯微结构光纤波导传输机理

（1）布拉格空芯微结构光纤波导导光机制

（2）光子带隙传导机制

（3）反谐振传导机制

1.3 常见的波导制备方法

1.3.1 薄膜沉积

1.3.2 掺杂原子置换

1.3.3 外延生长

1.3.4 减少载流子浓度技术

1.3.5 微结构平板波导制备方法

1.3.6 微结构光纤波导制备方法

（1）实芯空芯管排列堆积方法

（2）挤压法

（3）溶胶凝胶铸造法

（4）钻孔法

（5）3D打印法

参考文献

第2章 微结构波导分析方法及参数研究

2.1 微结构波导分析方法

2.1.1 有效折射率模型

2.1.2 平面波展开法

2.1.3 时域有限差分法

2.1.4 有限元法

（1）待求解区域的离散化

（2）选择插值函数

（3）构建矩阵方程

（4）引入边界条件，求解系统方程

2.1.5 光束传输法

（1）快速傅里叶变换光束传输法（FFT-BPM）

（2）有限元光束传输法（FE-BPM）

（3）有限差分光束传输法（FD-BPM）

2.1.6 其他分析方法

2.2 微结构波导传输特性分析

2.2.1 折射率

2.2.2 双折射特性

2.2.3 有效模场面积

2.2.4 损耗

2.2.5 功率比

2.2.6 色散

2.2.7 弯曲特性

2.3 常见的波导耦合方式

2.3.1 棱镜耦合器

2.3.2 光栅耦合器

2.3.3 楔形波导耦合器

2.3.4 其他耦合方法及器件

（1）直接聚焦耦合

（2）直接对接耦合

（3）直接熔接耦合

（4）侧面耦合

参考文献

第3章 多纤芯微结构光子晶体光纤波导及传感应用

3.1 多纤芯微结构光子晶体光纤波导研究进展

3.2 七纤芯微结构光子晶体光纤波导模式分析

3.2.1 耦合模理论

3.2.2 双纤芯定向耦合波导

3.2.3 折射率引导型七纤芯微结构光子晶体光纤波导的超模分布

3.2.4 同相位超模的选取

（1）远场加小孔及其分析

（2）Talbot自成像选模

（3）自傅里叶腔选模

3.3 18纤芯微结构光子晶体波导光纤模式分析

3.4 基于多纤芯微结构光子晶体光纤激光器的内腔传感研究

3.4.1 实验平台的搭建

3.4.2 光纤激光器近场观察装置

3.4.3 基于18纤芯光子晶体光纤激光器的多方向弯曲传感研究

参考文献

第4章 太赫兹波导材料介绍及研究

4.1 引言

4.2 常见太赫兹波导材料

4.2.1 高阻抗浮区本征硅材料（High Resistivity Float Zone Silicon，HRFZ-Si）

4.2.2 石英晶体（Crystal Quartz）

4.2.3 蓝宝石（Sapphire）

4.2.4 硫系玻璃（Chalcogenide Glasses）

4.2.5 聚合物材料

（1）聚甲基戊烯（Polymethylpentene，TPX）

（2）聚乙烯（Polyethylene，PE）

（3）聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE/Teflon，特氟龙）

（4）环烯烃共聚物（Cyclic Olefin Copolymer，COC，Zeonex）

4.3 硒化镉（CdSe）晶体中红外及太赫兹波特性研究

4.3.1 硒化镉晶体的光学性质

4.3.2 硒化镉晶体的声子谱计算

4.3.3 硒化镉晶体太赫兹时域光谱的测量与结果讨论

4.3.4 硒化镉晶体远红外傅里叶光谱的测量与结果讨论

4.3.5 硒化镉晶体拉曼特性的研究

4.4 镉锗砷（CdGeAs2）晶体中红外及太赫兹波特性研究

4.4.1 镉锗砷晶体的光学性质

4.4.2 镉锗砷晶体的声子谱计算

4.4.3 镉锗砷晶体太赫兹时域光谱的测量与结果讨论

4.4.4 镉锗砷晶体拉曼特性的测量

4.5 硒化镉晶体8～12μm差频器件制备参数研究

4.6 镉锗砷晶体8～12μm光学参量振荡器件制备参数研究

参考文献

第5章 空芯波导特性分析及其在激光器领域的应用

5.1 空芯微结构光纤波导研究简介

5.1.1 研究进展

5.1.2 空芯微结构光纤波导的应用

（1）高功率激光传输

（2）气体传感应用

（3）数据通信应用

（4）气体激光器、超连续谱产生和脉冲整形

（5）微波光子学

5.2 基于对称花瓣型的太赫兹微结构波导研究

5.2.1 波导结构设计

5.2.2 仿真结果与讨论

5.3 基于空芯波导的太赫兹气体激光器研究

5.3.1 微结构光纤波导在太赫兹波产生领域的应用

5.3.2 光泵浦甲醇气体产生太赫兹波的基本原理

5.3.3 太赫兹微结构光纤波导设计及传输分析

参考文献

第6章 负曲率微结构光纤波导传输特性分析

6.1 负曲率微结构光纤波导简介

6.1.1 研究现状

6.1.2 理论模型

（1）Marcatili和Schmeltzer模型

（2）空芯反谐振导光模型

（3）模式抑制耦合模型

6.2 宽带低损耗单模负曲率微结构空芯波导传输特性的研究

6.2.1 波导的结构设计

6.2.2 仿真与结果

6.3 包层管壁厚度对太赫兹负曲率微结构空芯波导的影响研究

6.3.1 波导结构设计

6.3.2 结果研究与分析

6.4 嵌套包层负曲率微结构空芯波导设计

6.4.1 波导的结构与设计

6.4.2 结果与讨论

6.4.3 结构优化

（1）嵌套三角形结构边外弯曲

（2）嵌套三角形结构边内弯曲

6.5 太赫兹微结构双负曲率空芯光纤波导设计及研究

6.5.1 光纤波导结构设计

6.5.2 结果与讨论

6.5.3 结构优化

参考文献

第7章 微结构波导双折射偏振特性研究

7.1 微结构偏振空芯波导介绍

7.1.1 几何结构双折射方法探索-纤芯光子带隙光纤波导

7.1.2 形状双折射方法探索-椭圆纤芯空芯反谐振光纤波导

7.2 基于嵌套包层结构双负曲率太赫兹波导的双折射特性研究

7.2.1 光纤结构与设计

7.2.2 结构参数选择

7.2.3 结果与讨论

参考文献

第8章 基于微结构波导的传感研究

8.1 基于微环谐振腔波导的高灵敏度传感器

8.1.1 微环谐振腔的基本结构及模型理论

8.1.2 微环谐振腔传感器的工作原理及模型仿真

8.1.3 结果和讨论

8.2 基于向日葵型圆形光子晶体的高灵敏度太赫兹折射率传感器

8.2.1 模型和理论研究

8.2.2 研究结果及讨论

8.3 基于介质光栅波导耦合的太赫兹人工表面等离子体传感器

8.3.1 太赫兹人工表面等离子体技术研究进展

8.3.2 传感器结构和原理

8.3.3 结果与讨论

8.4 基于长周期光纤光栅波导的传感研究

8.4.1 长周期光纤光栅传感应用研究

8.4.2 不同混凝土模拟环境下长周期光纤光栅传感器封装设计和实验研究

参考文献

第9章 基于微结构波导的功能器件研究

9.1 支持多轨道角动量模式的负曲率光纤波导设计

9.1.1 轨道角动量光纤波导研究进展

9.1.2 光纤结构与设计

9.1.3 轨道角动量负曲率光纤波导工作特性研究

9.2 光控可调谐光子晶体滤波器

9.2.1 研究进展

（1）非圆形谐振腔光子晶体滤波器

（2）环形谐振腔光子晶体滤波器

9.2.2 偶氮苯和液晶概述

9.2.3 结构设计和工作原理

9.2.4 窄带滤波器的透射特性

参考文献