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基于介电近零材料的空芯反谐振光纤双折射增强及单偏振单模特性研究

批准号:
62205364
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨天宇
学科分类:
光子与光电子器件
结题年份:
2025
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
--

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
空芯反谐振光纤因可引导光在空气中传输而在高功率光传输和气体检测等传感领域有广泛应用前景,但其保偏性能仍有不足,会引起信号间串扰,严重影响系统稳定性。针对现有保偏空芯反谐振光纤宽带双折射较低、结构复杂、偏振损耗差较小等问题,本项目拟利用介电近零(ENZ)材料的局域电磁场增强效应,通过有效调节光纤模式的电磁场分布,提出一种基于ENZ的空芯反谐振光纤保偏性能增强的方法。主要研究内容:1基于本人在保偏光纤和ENZ领域的研究基础,选择合适的ENZ;2通过结合材料分布各向异性与结构各向异性,在保持光纤结构简单的前提下,拟将宽带双折射提高一个数量级;3将高双折射空芯反谐振光纤的设计思路用于单偏振单模光纤的设计,拟将偏振损耗差异在100nm带宽内提升至100dB/m以上。本项目的顺利实施有望探索出一种简单、高效的空芯反谐振光纤保偏性能增强方法,丰富了保偏空芯光纤的选择范围,提高其在光通信和传感的应用价值。
英文摘要
Hollow core anti-resonant fiber (HC-ARF) has a wide application prospect in the sensing fields of high-power optical signal transmission and gas detection due to its guiding capacity of the light transmission in the air. However, polarization maintaining performance is still insufficient, which leads to crosstalk between signals and seriously affects the stability of the system. Focus on the problems of low broadband birefringence, complex structure, and small polarization loss difference of the existing polarization maintaining HC-ARFs, this project plans to use the local electromagnetic field enhancement effect of epsilon- near-zero (ENZ) material to effectively adjust the field distribution of fiber modes, and propose a method to enhance the polarization maintaining performance of HC-ARF based on the introduction of ENZ in the fiber cladding. Main research contents: 1. Based on the applicant’s research experiences in the field of polarization maintaining fiber and ENZ property, select the appropriate ENZ material for the designing of the high-performance polarization maintaining HC-ARF; 2 by combining the material distribution and structural anisotropies, the broadband birefringence is to be increased by an order of magnitude on the premise of maintaining the simple structure of the HC-ARF; 3 the design idea of high birefringence hollow core anti resonant fiber is applied to the design of single-polarization single-mode HC-ARF, which would increase the polarization loss difference over 100dB/m within 100nm bandwidth. The successful implementation of this project is expected to develop a simple and efficient method to enhance the polarization maintaining performance of HC-ARF, enriching the polarization maintaining hollow core fiber and extending its application in optical communication and sensing.
针对传统光纤在色散、损耗等方面的局限及信息传输需求的增长,本研究聚焦光子晶体光纤(PCF)传播常数偏振差异增强,明确非对称性与介电近零(ENG/ENZ)材料的影响机理及性能限制因素。.研究采用全矢量有限元法,通过 COMSOL Multiphysics 6.2 进行数值仿真。一方面,设计中心三椭圆缺陷 PCF,包层为四层圆形空气孔,通过调控椭圆率、晶格常数、包层尺寸等参数,在 1.55μm 波长处实现 3.56×10⁻² 的高双折射,X/Y 偏振限制损耗分别低至 2.29×10⁻⁸dB/m 和 5.19×10⁻⁴dB/m,且在 1.0-1.55μm 波段具备良好负平坦色散特性,结构对加工误差容忍度高,可制造性强。另一方面,提出含 ENZ 材料的 PCF 结构,A 型通过破坏纤芯六重对称性引入双折射(10⁻³ 量级),B 型在包层圆孔镀 ENZ 环后,1.5-1.8μm 波段双折射超 10⁻² 量级,相较于 A 型提升一个数量级。.基于 Drude 模型与反谐振理论,揭示 ENG 材料通过模式选择性损耗、边界条件调控及反谐振协同作用,增强偏振差异的机制。优化后的空心反谐振 PCF 在 1.3-1.7μm 通信波段实现单偏振单模传输,单偏振带宽 168nm;中红外 4.608μm 处传感灵敏度达 - 372.58dB/RIU,覆盖 1.33-1.45 折射率范围。.本研究创新点在于首次将 ENG 材料与反谐振光纤结合,突破传统光纤依赖复杂结构抑制高阶模的局限,建立材料 - 结构协同作用的定量关系。成果可应用于高功率激光传输、光纤陀螺、痕量检测等领域,推动 5G 通信、医疗诊断及工业检测升级。目前存在 ENG 材料环境稳定性不足、亚微米级工艺要求高、多参数交叉敏感等问题,需后续进一步优化。
基于介电近零材料的空芯反谐振光纤双折射增强及单偏振单模特性研究
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