基于金属谐振环调控D形光纤消逝场的传输及其光学性质研究

Based on fiber transmission characteristics and new functional materials, designed and prepared of optical integrated devices and sensors with special features is a research hotspot in recent years. We project is based on preparation the D-shaped fiber, and then designed and preparaed of the metal ring resonator in the D-shaped fiber and study it's transmission characteristics, furthermore, to research the effect of polarization control metallic ring resonator in the transmission of the evanescent field. In theory, from the optical waveguide Eigenequation propagation equation , computing and analog D-shaped fiber parameters and the evanescent field intensity of the relationship, and to establish the D-shaped fiber evanescent wave propagation equation, and then to create the ring resonator under the control of the evanescent field propagation equation. To explore the metal ring resonator resonance effect with the evanescent field of light waves interaction law, metallic ring resonator under the control of the evanescent field of the optical transmission characteristics. By magnetron sputtering and focused ion etching method to prepare metallic ring resonator structure, the formation of the D-shaped metallic ring resonator modulation fiber evanescent field in the D-shaped fiber. Ring resonator control surface plasmon exciting, the formation of surface plasmon coupling with light waves in optical fiber, to explore the relationship coupling efficiency with resonant ring structure. For the structure is prepared onto the fiber, it is easy to be matched with existing optical fiber systems and has important significance to the development of novel optical integrated device and sensing.

基于光纤的传输特性和新功能材料，设计和制备具有特殊功能的光纤集成器件和传感器是近几年研究的热点。本项目基于D形光纤的制备，然后在D形光纤上设计和制备金属谐振环并研究其传输特性，进一步研究金属谐振环在消逝场传输中的偏振控制效应。在理论上，从光波导本征方程和传播方程出发，计算和模拟D形光纤的参数和消逝场强度的关系，建立D形光纤消逝波传播方程，然后建立谐振环调控下的消逝场传播方程。探索金属谐振环共振效应与消逝场光波的相互作用规律，获得金属谐振环调控下的消逝场的光学传输特性。采用磁控溅射和聚焦离子刻蚀方法在D形光纤上制备金属谐振环结构，形成金属谐振环调制下的D形光纤消逝场。利用谐振环控制产生的表面等离激元，形成表面等离激元与光纤中光波的耦合，探索耦合效率与谐振环结构的关系。因该结构在光纤上制备，容易与现有的光纤系统匹配，对发展新型的光集成器件和传感具有重要的意义。

本项目重点开展了D形光纤上微结构的理论研究及微结构制备，从而设计和制备金属及非金属的D形光纤微结构，获得了这些D形光纤微结构在光子器件和传感方面的应用。我们首先分析建立了D形光纤消逝场的传播方程，并计算了D形光纤平面到纤芯的距离和消逝场之间的关系；然后对D形光纤上携带的金属谐振环分析和计算了谐振波长、耦合距离、损耗程度，建立了仿真计算模型。根据上述结果，我们设计的谐振环的材料为金，厚度为20 nm左右，谐振环直径为200 nm，环宽度为5-20 nm，谐振波长出现在通讯波段（C+L波段），更有利于应用方面的开展。设计了光纤V形夹具并改造显微镜的载物平台，可以并利用显微镜观测光纤的研磨面，获得了高质量的D形光纤。利用该装置，对普通单模光纤进行了双侧面研磨，制备了光纤的平面距离纤芯为10 um的H形光纤，具有非常强烈的偏振效果，申请并获批准了发明专利。也研究和探明了一系列的金属和非金属材料在D形光纤平面上的制备方法。利用上述的理论结果和方法，具体应用方面的工作有：(1)在D形光纤的表面制备磁性材料Tb0.3Dy0.7Fe2.0薄膜和Au薄膜，再利用聚焦离子刻蚀（FIB）的方法，将最上层的Au薄膜刻蚀为光栅结构。形成了D形光纤-Au-硅胶- Tb0.3Dy0.7Fe2.0的复合光栅的结构。对电流进行传感测试，测试范围0-20 A，得到了良好的线性关系，灵敏度为0.1 nm/A。（2）在普通光纤的端面制备分别通过磁控溅射制备Au薄膜，WO3薄膜，Pd薄膜，厚度分别为50 nm，50 nm，30 nm。用聚焦离子刻蚀位于光纤端面中心的Pd薄膜，形成周期为450 nm，占空比为1：2的金属光栅。测试氢气的灵敏度约为700 nm/cc，浓度增加和减少的响应时间分别为4 s和10 s。因为在光纤的端面中心制备Pd光栅，因此温度效应较低，温度效应为10.3 pm/0C。在掌握上述D形光纤和金属介质制作的基础上，并进一步研究了依托D形光纤上的微结构而形成的折射率、湿度传感器，都获得了很好的结果。所以，本项目是基于光纤的传输特性和新功能材料，设计和制备具有特殊功能的光纤集成器件和传感器。研究了金属材料和非金属材料制备的光栅、谐振环的制作及其传输特性，并研究和获得了这些光纤微结构在表面等离基元方面的产生和应用。该结构在光纤上制备，易与光纤系统匹配，对发展新型的光集成器件和传感具有重要意义。

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