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基于反谐振结构的太赫兹光纤传感特性研究

摘要

随着光纤技术的发展，光纤依靠其高稳定性、高抗干扰性的优点逐渐应用到信号传

输以及传感领域。其中太赫兹光纤凭借其独特的优势，能够达到传统通信对信号低非线

性和宽带宽的一系列要求。对于以反谐振结构为基础的光纤，由于其是在空气芯中传输

光，会具有更低的损耗及更低的非线性效应，因此它们大多广泛应用在保偏传输、低损

耗传输等领域上。同时对于反谐振结构的特殊光纤，其在光纤传感领域具有潜在的应用

价值。本文主要提出了两种基于反谐振结构的太赫兹光纤温度传感器，构建光纤光栅模

型以及利用等离子体共振效应（SurfacePlasmonResonance，SPR）来实现对外界温度变

化的测量。

本文介绍了太赫兹波的背景和应用、光纤光栅和基于SPR的光纤传感器发展现状，

以及反谐振结构光纤的传输机制和工作原理。本文采用的是多物理场的有限元数值计算

方法，并基于此方法展开仿真研究。

本文主要涉及的内容以及创新点如下：

1.设计并提出一种基于反谐振结构的SPR光纤，结合太赫兹技术，并且基于倏逝

场与表面等离子激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）模式共振产生的损耗来实现对

外界温度的测量。对所提出结构进行反谐振传输的机理研究以及对SPR传感特性作出

数值仿真计算，针对不同的结构参数进行仿真，根据传感特性选定参数，得到在118μm

波长附近的共振峰。最后数值结果表明其温度传感灵敏度大小为10.1nm/℃，同时具有

良好的线性度。

2.设计并提出一种基于反谐振结构的太赫兹光纤光栅，用于外界温度的传感。结合

太赫兹技术，对反谐振传输机理展开研究，验证其作为光纤传感器的可行性。数值结果

表明，在3THz和6.5THz处都出现了对应的反谐振损耗峰，在引入了光栅结构后，于

1.5THz处出现了较大的损耗峰。对提出结构的参数开展了深入研究，通过对温度特性

的仿真计算，数值结果表明其温度传感灵敏度达到了20.08nm/℃，表现出了较高的灵敏

度和线性度。

关键词：光纤传感；太赫兹；反谐振光纤；光纤光栅；等离子体共振

基于反谐振结构的太赫兹光纤传感特性研究

Abstract

Withthedevelopmentoffiberoptictechnology,fiberoptichasgraduallybeenappliedin

thefieldsofopticalcommunicationandsensingduetoitshighstabilityandanti-interference

ability.Terahertzfiber,withitsuniqueadvantages,canmeettherequirementsoftraditional

communicationforlownonlinearityandwidebandwidthofsignals.Fibersbasedontheanti-

resonantstructure,duetothetransmissionoflightinanaircore,exhibitlowerlossandlower

nonlineareffects,thustheyarewidelyappliedinfieldssuchaspolarizationpreservation

transmissionandlow-losstransmission.Additionally,specialfiberswithanti-resonant

structureshavepotentialapplicationvalueinthefieldoffiberopticsensing.Thisthesis

primarilyproposestwotypesofteraher