CN100451698C

CN100451698C - 一种实现太赫兹波的低损耗光纤

Info

Publication number: CN100451698C
Application number: CNB2006101022111A
Authority: CN
Inventors: 于荣金; 张冰
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: CN1963574A

Abstract

本发明涉及一种特殊光纤，特别是涉及一种能实现太赫兹波的低损耗光纤。其特征是：为实现波长范围在30μm～3mm的THz波传输，该光纤的结构参数范围是：光纤芯半径：r₀＝10mm～30mm；高折射率层厚度：d₂＝0.1λ～0.4λ(λ为光纤传输的光波长)；空气层厚度：d₁＝4d₂～20d₂；Λ＝d₁+d₂＝0.5λ～8.4λ；高折射率：n₂＝1.3～1.8；低折射率：n₁＝1(空气)；包层中交替层的数目：N＝3～4。这种太赫兹波传输光纤，可利用现成的两步法或一步法工艺进行生产，光纤材料可采用吸收损耗较低的塑料作为基质材料，如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚四氟乙烯(teflon)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)、聚丙烯等非极性聚合物。

Description

一种实现太赫兹波的低损耗光纤

技术领域

本发明涉及一种特殊光纤，特别是涉及一种能实现太赫兹波的低损耗光纤。

背景技术

频率范围在约0.1～10THz(波长约3000μm～30μm)的太赫兹(THz)波是一个重要的频段，也是电磁波谱中需要开发的最后一个频段。长期以来，因缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，一直处于微波与远红外之间的空隙状态。由于THz波的一系列特点及其在光谱、成像、医疗诊断、通信与雷达、天体以及基本物理研究等方面具有重要应用价值，引起了世界各国的重视；并于2005年3月14日至16日在美国佛罗里达州召开了光学THz科学和技术专题会议。因此，这些年来，在THz辐射的产生、检测和应用方面，取得了许多重要进展。然而，由于在这个波段缺乏低损耗波导、光纤和透明材料，目前大部分THz系统主要还是靠自由空间传播。因为THz波段的波长要比微波的波长短得多、要比光波的波长长得多，所以适合微波传导的一些金属、以及适合光波传导的一些介质(如石英)用来构成THz波的波导时，都有很高的损耗。在THz波段，材料的吸收损耗大约10⁴～10⁶dB/km。甚至连THz波无源器件中最常用的低损耗材料(高阻硅)，它的吸收系数也达0.04cm^-1(1cm^-1＝4.343dB/cm，因此它相当于1.74×10⁴dB/km)。过去，除利用Cu、黄铜和不锈钢等金属做成各种形状的THz波导外，也用一些介质(如蓝宝石、塑料)制作了THz波导。报道过高折射率芯(实芯)光子晶体塑料光纤，用高密度聚乙烯[Appl.Phys.Lett.Vol.80，No.15，PP.2634～2636，2002]和聚四氟乙烯[Jpn.J.Appl.Phys.Vol.43(No.2B)，PP.L317～319，2004]制作的光子晶体光纤，其损耗系数分别达到小于0.5cm^-1(0.1～3THz)和大约0.12cm^-1。还报道过一种内壁涂有Cu的空芯聚碳酸酯波导[Opt.Express，Vol.12，No.21，PP.5263～5268，2004]，对3mm芯直径光纤在158.51μm波长处获得了最低的损耗，其损耗为3.9dB/m。最近，报道了一种传导THz波的、类似于光纤的亚波长直径(200μm)塑料(聚乙烯)线[Opt.Lett.Vol.31，No.3，PP.308～310，2006]，在靠近0.3THz频率范围内，损耗系数降为小于0.01cm^-1。总之，文献已报道的传输THz频段的各种光纤，其损耗最低也达到或超过3900dB/km，根本无法实现较长距离的传输。

本专利申请的发明人于2005年3月25日向中国国家知识产权局提出了名称为“蜘蛛网状空芯光纤”(专利申请号200510060031.7)的专利申请，并于2006年4月19日公开。这种蜘蛛网状空芯光纤由纤芯区(I)、包层(II)和外包层(III)组成，其特征是：纤芯区(I)为空气，包层(II)为若干同心圆的单一材料和空气交替层以及由截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构，支撑条的数量m＝6～12，支撑条的宽度W_s＝λ/3～λ/30(λ为光纤传输的光波长)。这种结构可大幅度降低光纤的传输损耗，增加可实现性，扩展可制作光纤的品种和可传输的光谱范围。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种实现太赫兹波的低损耗光纤，这种光纤的损耗远低于现有文献报道的光纤结构设计，使其进入可实际应用的水平。

本发明的技术方案是：为实现波长范围在30μm～3mm的THz波传输，该光纤的结构参数范围是：光纤芯半径(r₀)＝10mm～30mm，高折射率层厚度(d₂)＝0.1λ～0.4λ(λ为光纤传输的光波长)，空气层厚度(d₁)＝4d₂～20d₂，Λ＝d₁+d₂＝0.5λ～8.4λ，高折射率(n₂)＝1.3～1.8，低折射率(n₁)＝1(空气)，N(包层中交替层的数目)＝3～4。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。

图1是实现太赫兹波传输光纤的结构图；

图2是实现太赫兹波传输光纤的折射率分布图。

在图1和图2中，n₁＝1(空气)，n₂为介质材料的折射率，d₁为空气层的厚度，d₂为介质层的厚度，r₀为空芯半径，Λ＝d₁+d₂为每个交替层的厚度。

具体实施方式

实施例1

在本实施例中，要实现如图1所示结构的太赫兹频段传输波长较短的光纤，结构参数为：r₀＝10mm，n₂＝1.52(高密度聚乙烯)，n₁＝1，d₂＝25μm，d₁＝500μm，N＝3。按照高密度聚乙烯在太赫兹频段的吸收谱[Chem.Phys.Lett.，Vol.10，No.4，PP.473～477，1971]，蜘蛛网结构包层光纤中TE₀₁模的传输损耗(结构束缚损耗加上材料吸收损耗)如表1所示。从表1可以看出在70μm～200μm波长范围内，都在4.1dB/km以下，而TE₀₁模在90μm的传输损耗低达0.463dB/km。

表1.r₀＝10mm，n₂＝1.52，n₁＝1，d₂＝25μm，d₁＝500μm，N＝3

实施例2

在本实施例中，要实现如图1所示结构的太赫兹频段传输波长较长的光纤，结构参数为：r₀＝20mm，n₂＝1.52(高密度聚乙烯)，n₁＝1，d₂＝150μm，d₁＝2250μm，N＝3。TE₀₁模的传输损耗如表2所示。从表2可以看出在400μm～1100μm波长范围内，都在4.5dB/km以下，而TE₀₁模在550μm的传输损耗低达1.071dB/km。

表2.r₀＝20mm，n₂＝1.52，n₁＝1，d₂＝150μm，d₁＝2250μm，N＝3

实施例3

在本实施例中，要实现如图1所示结构的太赫兹频段传输波长居中间的光纤，结构参数为：r₀＝14mm，n₂＝1.52(高密度聚乙烯)，n₁＝1，d₂＝70μm，d₁＝1050μm，N＝3。TE₀₁模的传输损耗如表3所示。从表3可以看出在200μm～550μm波长范围内，都在4.5dB/km以下，而TE₀₁模在280μm的传输损耗低达1.262dB/km。

表3.r₀＝14mm，n₂＝1.52，n₁＝1，d₂＝70μm，d₁＝1050μm，N＝3

从以上三个实施例可以看出，TE₀₁模的传输损耗比文献降低了三个数量级，并且每种光纤的传输波长范围都超过了一个倍频程，可实现波分复用。

制造本发明的太赫兹波传输光纤，可利用现成的一些设备和工艺，如目前已有的两步法：先用各种方法做成预制棒，然后再拉成所需直径的光纤；也可用本申请同一申请人的专利申请03108794.9中的连续制造方法(一步法)。这种光纤结构可以采用吸收损耗较低的塑料作为基质材料，如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚四氟乙烯(teflon)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)、聚丙烯等非极性聚合物。

根据本发明的上述基本结构和参数，本领域有经验的人员还可对此作出各种变换和修改，但这种变换和修改均属于本发明的范围。

Claims

1.一种实现太赫兹波的低损耗传输光纤，其纤芯区(I)为空气、包层(II)为若干同心圆的单一材料和空气交替层以及由截面上对称分布若干支撑条构成的蜘蛛网状结构，支撑条的数量m＝6～12，支撑条宽度W_s＝λ/3～λ/30，高折射率层厚度：d₂＝0.1λ～0.4λ，空气层厚度：d₁＝4d₂～20d₂，每个交替层的厚度Λ＝d₁+d₂＝0.5λ～8.4λ，其中：λ为光纤传输的光波长，高折射率：n₂＝1.3～1.8，低折射率：n₁＝1，包层中交替层的数目：N＝3～4，其特征是：为实现波长范围在30μm～3mm的THz波传输，该光纤的光纤芯半径：r₀＝10mm～30mm；光纤结构采用吸收损耗较低的非极性聚合物作为基质材料，所述基质材料包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚四氟乙烯(teflon)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)和聚丙烯。