CN100395573C - 一种太赫兹波纤维波导 - Google Patents

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Abstract

一种偏振保持型太赫兹波纤维波导为以价格低廉的柔韧聚合物毛细管和毛细柱按轴向平行排列形成正四方或长方格子的纤维波导，其矩形、椭圆形、长X形，或长菱形的二重旋转对称图形芯区具有较大模式双折射，例如10-3量级以上的模式双折射，可形成较强的偏振保持能力。包层区因空气柱的存在，与芯区等效折射率之差高，而且可以弹性调整，对太赫兹波的约束能力强，具有降低传输损耗的较大潜力。结构参数对保偏性能的影响表征性强，设计自由度大。制作材料单一，偏振保持性质稳定。不需大型制作设备，成本低，成品率高。

Description

一种太赫兹波纤维波导
技术领域
本发明涉及传输太赫兹波的纤维波导，尤其是采用周期性微结构、具有偏振保持能力的太赫兹纤维波导。
背景技术
0.1--10THz的太赫兹波辐射是频率位于红外和微波之间的电磁波，与技术成熟的邻波段相比，长期以来人们对它的了解非常有限，以至于被称为电磁波谱中的THz空隙。近些年，自由电子激光和飞秒激光的发展为太赫兹波技术应用提供了稳定、可靠的辐射源，太赫兹波辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展，太赫兹波辐射光子能量低、穿透能力强，对混凝土、陶瓷、木材和塑料等常见包装材料具有较强的穿透能力，对人等生物进行活体安全检查时比X射线更安全，对无损检测物体内部隐藏的金属或生物成份时很灵敏，在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面不断发现太赫兹波新的科学价值和应用潜力。
遗憾的是，穿透能力强的优势本身也是太赫兹波应用的一个障碍。太赫兹波辐射源大多体积庞大，不便移动。太赫兹波自由空间传输的太赫兹波束检测系统，操作人员劳动强度很大，即便没有搬动，使用前都要对金属反射镜进行精确调试。而太赫兹波束非可见光，调试难度大。另外，太赫兹波束在自由空间传输的损耗较大，要求太赫兹波辐射源功率大，这也是现有太赫兹波应用系统身大体沉的原因。太赫兹波技术应用的发展迫切需要太赫兹波纤维波导的出现。
太赫兹波技术应用的一个重要方向是进行波束干涉。干涉要求太赫兹波束在传输过程中保持其偏振特性，这为太赫兹波纤维波导的研制提出了更高的要求。近些年国外研究者提出了一些新结构太赫兹波导，例如，2004年S.Coleman和D.Grischkowsky在Apply PhysicsLetter杂志第84卷第5期654-6页Parallel plate THz transmitter一文中公开报道的在半导体基底上制作的微带、共面带状线及共面太赫兹波导，2000年G.Gallot和S.P.Jamison等人在J.Opt.Soc.Am.杂志第B16卷851页Terahertz waveguides一文中公开报道的采用不同材料如金属管制作太赫兹波导，2000年S.P.Jamison和R.W.McGown等人在Appl.Phys.Lett.杂志第76卷第1987页Single-mode waveguide propagation and reshaping of sub-psterahertz pulses insapphire fibers一文中公开报道的宝石纤维太赫兹波导，2000年R.Medis和D.Grischkowsky在J.Appl.Phys.杂志第88卷第4449页Plastic ribbon THz waveguides一文中公开报道的塑料带太赫兹波导，以及2002年H.Han和H.Park等人在Microwave Symposium Digest，IEEEMTT-S International杂志第2卷第2-7期第1075页Terahertz Pulse ProPagation in PlasticPhotonic Crystal Fibers一文中公开报道的三角格子光子晶体太赫兹波导的研制尝试。但是，这些研制工作中尚未有考虑传输太赫兹波束的保偏要求，难以满足太赫兹波束干涉应用的需求。
发明内容
为了填补在研太赫兹波导在偏振保持(Polarization-maintaining)功能方面的空白，本发明以聚合物毛细管和柱按轴向平行排列形成方格子微结构(Microstructured)纤维波导，芯区采用二重旋转对称图形，使在其中传输的太赫兹波束的偏振特性得以保持。
本发明解决太赫兹波在纤维波导传输过程中偏振保持问题所采用的技术方案如下。
偏振保持型太赫兹波纤维波导包括传输太赫兹波的芯区、约束传输波的包层区和外套管，包层区是由聚合物毛细管按轴向平行排列形成的太赫兹波低折射率区域，芯区是由同一种聚合物的毛细柱按轴向平行排列形成的太赫兹波高折射率区域，毛细柱和毛细管外表面尺寸相同，毛细管、毛细柱和外套管由相同的聚合物制成，本发明的特征是：在纤维波导横截面上，各毛细柱、毛细管柱心连线形成的均匀网格为正四方格子或长方格子，构成芯区的毛细柱的外围轮廓为二重旋转对称图形；芯区为矩形、椭圆形、长X形，或长菱形的二重旋转对称图形；柱形毛细管为内外同柱心的中空毛细管，内外同为圆柱形，或者内外同为椭圆柱形，或者外为圆柱形内为椭圆柱形，或者外为椭圆柱形内为圆柱形；若中空毛细管采用椭圆形，椭圆长轴平行于芯区二重旋转对称图形的对称轴方向。
本发明的有益效果如下：
首先，采用二重旋转对称图形的纤维波导芯区将使在其中传输的太赫兹波导模中两个垂直偏振态的传输常数产生明显差异，带来10-3量级以上的模式双折射，形成较强的偏振保持能力。与2002年H.Han和H.Park等人在Microwave Symposium Digest，IEEE MTT-SInternational杂志第2卷第2-7期第1075页Terahertz Pulse Pro Pagation in Plastic PhotonicCrystal Fibers一文中公开报道的三角格子光子晶体太赫兹波导具有的六重旋转对称性不同的是，方格子是二重旋转对称，对应纤维波导中导模两垂直偏振态可具有不同的等效折射率和传播常数，易产生几何双折射，形成偏振保持能力。
其次，由于毛细管和毛细柱采用同一种聚合物，制作材料单一，太赫兹波纤维波导的模式双折射稳定。双折射稳定，偏振保持性质稳定，这在目前保偏纤维波导的实际应用中非常重要。除天然双折射材料如方解石外，人为产生双折射的途径主要有两种，即应力双折射和几何双折射或叫结构双折射。传统保偏纤维波导依靠包层区中应力施加单元对芯区的应力作用而产生双折射，而应力常常随温度变化，降低了保偏性能的温度稳定性。本发明以单一聚合物毛细管、柱制作纤维波导，双折射源于芯区折射率分布的空间不对称，属于对温度变化不敏感的几何双折射，温度稳定性好，偏振保持性质稳定。
与目前正在研制的一些太赫兹波纤维波导相比，本发明的波导包层区空气所占区域面积大，芯区与包层间等效折射率之差高，对太赫兹波的约束能力强，而且可以弹性调整，具有降低传输损耗的较大潜力。
而且，设计自由度大。周期性微结构太赫兹波纤维波导的管堆积制作方式为各种非对称微结构的实现提供了宽阔的平台，可以灵活设计各种对称或非对称结构，通过改变部分周期性空气孔的形状、大小或位置，改变保偏性能。结构参数对相应保偏性能的影响表征性强，容易控制。
最后，本发明公开的周期性微结构太赫兹波纤维波导制作不需大型设备，成本低，成品率高。
附图说明
图1为本发明第1实施例的太赫兹波纤维波导的横截面结构示意图。
图2为本发明第1实施例的太赫兹波纤维波导中频率为0.3THz的传输基模在其横截面上的强度分布图。
图3为本发明第2实施例的太赫兹波纤维波导的横截面结构示意图。
图4为本发明第2实施例的太赫兹波纤维波导中频率为0.3THz的传输基模在其横截面上的强度分布图。
图5为本发明第3实施例的太赫兹波纤维波导的横截面结构示意图。
图6为本发明第3实施例的太赫兹波纤维波导中频率为0.3THz的传输基模在其横截面上的强度分布图。
图中：纤维波导的外套管1，毛细圆管2，毛细圆柱3，正四方格子网格4，矩形芯区5，外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6，毛细椭圆柱7，长方格子网格8，椭圆形芯区9，内外同为椭圆柱形毛细管10，长X形芯区11。
具体实施方式
实施例1：正四方格子结构包层区、矩形芯区偏振保持型太赫兹波纤维波导，横截面结构如图1所示。
毛细圆柱3、毛细圆管2和纤维波导的外套管1材料同为均匀的高密度聚乙烯。毛细圆柱3和毛细圆管2的外半径同为0.37mm，毛细圆管2内半径为0.12mm，内外同柱心。纤维波导的外套管1的横截面为正四方形，壁厚均匀，壁厚为0.35mm，其中空尺寸为12.6mm×12.6mm。
在纤维波导的外套管1中，将17×17个毛细圆管2按轴向平行方式周期排列，横截面上每4个相邻的毛细圆管2柱心连线形成均匀的正四方格子网格4。
将纤维波导中央区域的5×3个毛细圆管2以5×3个毛细圆柱3代替，构成芯区。在纤维波导横截面上，芯区外围轮廓为x轴向长3.7mm、y轴向长2.22mm的矩形芯区5。
余下的毛细圆管2构成包层区。
频率为0.3THz的传输基模在该偏振保持型太赫兹波纤维波导横截面上的强度分布，如图2所示。这是按照本实施例的结构参数，使用美国Rsoft公司出品的电磁场模拟计算软件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve软件进行计算得到的结果。该基模的双折射等于1.025×10-3，表明该型偏振保持型太赫兹波纤维波导具有较强的偏振保持能力。
实施例2：长四方格子结构包层区、椭圆形芯区偏振保持型太赫兹波纤维波导，横截面结构如图3所示。
毛细椭圆柱7、外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6和纤维波导的外套管1材料同为均匀的聚四氟乙烯。毛细椭圆柱7和外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6的外椭圆长轴半径为0.37mm、短轴半径为0.29mm，外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6的内半径为0.12mm，内外同柱心。纤维波导的外套管1的横截面为矩形，壁厚均匀，壁厚为0.35mm，其中空尺寸为12.6mm×9.9mm。
在纤维波导的外套管1中，将17×17个外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6按轴向平行、椭圆长轴相互平行的方式周期排列，横截面上各外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6柱心的连线形成长四方格子网格8。
将纤维波导长四方格子中央区域的23个外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6以23个毛细椭圆柱7代替，构成芯区。在横截面上，芯区外围轮廓为椭圆形芯区9，在x轴向椭圆长轴半径约2.5mm，在y轴向椭圆短轴半径约1.5mm。
余下的外为椭圆柱形内为圆柱形的毛细管6构成包层区。
频率为0.3THz的传输基模在该偏振保持型太赫兹波纤维波导横截面上的强度分布，如图4所示。这是按照本实施例的结构参数，使用美国Rsoft公司出品的电磁场模拟计算软件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve软件进行计算得到的结果。该基模的双折射等于3.121×10-3，表明该型偏振保持型太赫兹波纤维波导具有较强的偏振保持能力。
实施例3：长方格子结构包层区、长X形芯区偏振保持型太赫兹波纤维波导，横截面结构如图5所示。
毛细椭圆柱7、内外同为椭圆柱形毛细管10和纤维波导的外套管1材料同为均匀的聚碳酸酯。毛细椭圆柱7和内外同为椭圆柱形毛细管10的外椭圆长轴半径为0.37mm、短轴半径为0.29mm，内外同为椭圆柱形毛细管10内椭圆长轴半径为0.15mm、短轴半径为0.11mm，内外同柱心。纤维波导的外套管1的横截面为矩形，壁厚均匀，壁厚为0.35mm，其中空尺寸为12.6mm×14mm。
在纤维波导的外套管1中，将17×24个内外同为椭圆柱形毛细管10按轴向平行、椭圆长轴相互平行的方式周期排列，横截面上各内外同为椭圆柱形毛细管10柱心的连线形成长方格子网格8。
将纤维波导中央区域的8个内外同为椭圆柱形毛细管10以8个毛细椭圆柱7代替，构成芯区。在横截面上，芯区外围轮廓为长X形芯区11，长X形在x轴向长3.7mm，在y轴向长2.96mm。
余下的内外同为椭圆柱形毛细管10构成包层区。
频率为0.3THz的传输基模在该偏振保持型太赫兹波纤维波导横截面上的强度分布，如图6所示。这是按照本实施例的结构参数，使用美国Rsoft公司出品的电磁场模拟计算软件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve软件进行计算得到的结果。该基模的双折射等于2.034×10-2，表明该型偏振保持型太赫兹波纤维波导具有较强的偏振保持能力。

Claims (1)

1.一种太赫兹波纤维波导，包括传输太赫兹波的芯区、约束传输波的包层区和外套管，包层区是由毛细管按轴向平行排列形成的太赫兹波低折射率区域，芯区是由毛细柱按轴向平行排列形成的太赫兹波高折射率区域，毛细柱和毛细管外表面尺寸相同，毛细管、毛细柱和外套管由相同的聚合物制成，在纤维波导横截面上，各毛细柱、毛细管的柱心连线形成的均匀网格为方格子，构成芯区的毛细柱的外围轮廓为二重旋转对称图形；所述毛细管为内外表面同柱心的中空毛细管；该中空毛细管的内外表面同为椭圆柱形，其内外椭圆长轴方向相同，或者外表面为圆柱形内表面为椭圆柱形，或者外表面为椭圆柱形内表面为圆柱形；其特征是：任一所述椭圆柱形的椭圆长轴平行于芯区二重旋转对称图形位于纤维波导横截面上的对称轴方向。
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