CN101788695B - 一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹波导技术领域，提供了一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤。所述高双折射亚波长多孔太赫兹光纤在光纤纤芯中加入尺寸远小于波长的椭圆形空气孔结构，在太赫兹波段提供高双折射的同时还具有亚波长的模式束缚能力，且在较宽的太赫兹带宽内，均具有高双折射特性。该高双折射亚波长多孔太赫兹光纤能够用于亚波长尺寸太赫兹器件的制作，从而用于太赫兹的传感探测及通信领域。

Description

一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹光波导领域，具体涉及一种具有高双折射亚波长多孔太赫兹光纤。

背景技术

太赫兹辐射在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，其震荡频率范围为0.1THz-10THz。由于介电晶体的晶格共振、分子旋转、振动共振以及热辐射线等都发生在太赫兹频谱范围，太赫兹光谱可以作为材料表征、指纹鉴定的有效手段。且太赫兹波具有很高的空间分辨率和时间分辨率、很强的穿透性，因此太赫兹成像技术将会成为医疗诊断、生物研究、电子器件检验，以及生化武器、毒品、爆炸物探测的强大工具。

为了使太赫兹系统能够实现小型化、集成化，以便于广泛应用于传感、成像等方面，易于集成的太赫兹波导器件得到了越来越多的关注。太赫兹波导器件将在自由空间传输的太赫兹波约束在器件之中，使太赫兹波的传输具有可控的路径和模式尺寸。在此基础上，太赫兹波导器件还可具有脉冲整形、滤波、调制等功能，从而为太赫兹系统的集成化提供基础。

作为太赫兹波传输器件，传输损耗、色散、模场面积等是太赫兹波导性能的主要参数。现在研究的太赫兹波导主要有金属材料构成的金属线波导、金属管波导以及由介电材料构成的蓝宝石光纤、塑料光纤、光子晶体光纤，亚波长多孔光纤等。金属波导在金属之外的空气中传输太赫兹，因此对模场的限制能力差，以致弯曲损耗较高。介质波导将太赫兹限制在对太赫兹吸收较大的介电材料中，存在较高的传输损耗。

太赫兹光子晶体光纤将具有波长尺寸的空气孔周期排列，实现太赫兹波的传输。根据光子晶体光纤结构的不同，太赫兹光子晶体光纤分为两种。一种是光纤中心为高折射率介质材料，这种结构的光子晶体光纤带宽较宽，但是损耗相对较大。另一种光纤中心为空气孔结构，这种光子晶体光纤采用光子晶体带隙效应传输太赫兹波，虽然损耗较低，但是只能实现窄带的太赫兹传输。

亚波长的多孔太赫兹光纤，与同样具有多孔结构的太赫兹光子晶体光纤最大的不同就是其光纤中的多孔孔径远小于波长，整个光纤仅为亚波长尺寸，远远小于光子晶体光纤，同时也不具有光子晶体的带隙效应。除此之外，该种光纤的纤芯包含多孔结构，太赫兹波在孔中传输，而光子晶体光纤则是包层为多孔结构，太赫兹波在多孔结构所包围的纤芯中传输。亚波长的多孔太赫兹光纤将太赫兹约束在具有超低吸收损耗的空气孔中，对太赫兹波能够实现低损耗传输和亚波长模场限制。蒙特利尔工学院的哈桑尼等通过多亚波长空气孔的方式将太赫兹光纤的损耗降低为纤芯材料吸收损耗的1/10-1/20，且由于光纤将太赫兹限制于空气孔中传输，在弯曲直径为3cm时，损耗也几乎不会改变。阿德莱德大学的等采用仿真计算的方式证明了亚波长的多孔太赫兹光纤具有低损耗和高模式约束特性。

在光通信波长下，光子晶体光纤可以通过特殊的设计提供很高的模式双折射，从而实现保偏光纤，甚至单模单偏振的光纤。光子晶体光纤可以提供的模式双折射通常可以达到10^-3数量级。最近，根据一些理论分析和仿真计算的结果，有报道指出如果在光子晶体光纤的包层或者芯区中使用椭圆形空气孔，其模式双折射还可以进一步提高。

在太赫兹时域频谱系统以及太赫兹成像系统中，太赫兹的接收器通常具有偏振敏感特性，因此如何实现保偏的太赫兹光纤或波导器件，对于集成化的太赫兹时域频谱和成像系统尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤。

本发明提供了一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤。光纤的横断面包括包层和纤芯。包层为包围纤芯的外部区域，组成材料为空气，纤芯的横断面外边界为圆形，纤芯由光纤基底材料和分布在其内部的圆形空气孔以及椭圆形空气孔组成，空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，中心空气孔位于纤芯的中心，每相邻的三个空气孔的中心为一个正三角形的三个顶点，除中心空气孔外，外围的空气孔中心可按照距离纤芯中心的远近分别连接成以纤芯的中心为中心的多个正六边形，椭圆形空气孔的长轴平行或者垂直于正六边形的一条边，且所有椭圆形空气孔长轴方向一致，椭圆形空气孔关于以纤芯中心为原点、椭圆形空气孔的短轴和长轴方向为横纵坐标方向的直角坐标系的横坐标轴及纵坐标轴均呈对称分布。

所述纤芯的直径大于所传输的太赫兹波的波长的0.7倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的2倍。

所述空气孔构成的以纤芯的中心为中心的正六边形的个数要大于2个。

所述圆形空气孔的直径大于所传输的太赫兹波的波长的0.05倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的0.2倍。

所述圆形空气孔的直径与孔中心间距的比值大于0.5，且小于0.9。

所述椭圆形空气孔长轴大于所传输的太赫兹波的波长的0.05倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的0.2倍，长轴和短轴的长度比例大于1，且小于4，各个椭圆形空气孔大小一致。

所述椭圆形空气孔的长轴与孔中心间距的比值大于0.5，且小于0.9。

所述光纤基底材料是在太赫兹波段具有低损耗的介电材料，如聚四氟乙烯，聚乙烯，聚碳酸酯。

本发明的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤具有以下优点：

1.本发明所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤将太赫兹波束缚在在太赫兹波段吸收损耗很低空气孔中，而光子晶体光纤则是通过空气孔构成的包层将太赫兹波束缚在光纤纤芯具有吸收损耗的光纤基底材料中，因此所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤具有在太赫兹波段传输损耗低的优点。

2.本发明所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤将椭圆形结构加入到光纤纤芯的空气孔中，使得TE和TM两个模式的模场分布不同的特性，从而具有不同的有效折射率，产生高双折射。

3.本发明所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤中的空气孔直径远小于所传输的太赫兹波长，不同于光子晶体光纤中空气孔直径与传输波长可比拟。所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤可以将所传输太赫兹模式尺寸限制在亚波长，具有亚波长的场束缚能力。这种特性使得所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤可用于亚波长尺寸太赫兹器件的制作，从而用于太赫兹的传感探测及通信领域。

4.本发明所设计的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤在较宽的太赫兹频谱范围内具有较大的高双折射，可用于宽带的太赫兹系统中。

附图说明

图1是高双折射亚波长多孔太赫兹光纤横断面示意图。101为包层，102为光纤纤芯，D为光纤纤芯外径，103和104为光纤纤芯内的空气孔，Λ为孔中心间距，其中103表示所有圆形空气孔，d为圆形空气孔直径，104表示所有椭圆形空气孔，a为椭圆形空气孔长轴，b为椭圆形空气孔短轴。

图2是使用全矢量有限元方法计算得到高双折射亚波长多孔太赫兹光纤的TE和TM模式的z方向玻印廷矢量Sz分布图，其中z方向为垂直于纸面的方向。

图3是高双折射亚波长多孔太赫兹光纤在0.1THz-1THz频率范围的双折射曲线。

具体实施方式

在本实施方式中，如图1所示，所设计高双折射亚波长多孔太赫兹光纤光纤的包层101为空气，光纤纤芯102的基底材料为聚四氟乙烯材料，它在0.5THz的折射率为1.5，损耗为0.3/cm。纤芯中的空气孔103和104的排列方式如图1所示。除中心圆形空气孔外，外围的空气孔的中心可组成三个以纤芯的圆心为中心的正六边形，其中组成最内层正六边形的空气孔为椭圆形空气孔。为保证光纤结构的亚波长尺寸，圆形空气孔直径d＝0.15λ＝90μm，椭圆形空气孔长轴a＝d＝90μm，短轴b＝0.5d＝45μm，孔中心间距Λ＝1.25d＝112.5μm，光纤纤芯的直径D＝7Λ＝787.5μm。

图2是使用全矢量有限元方法计算上述高双折射亚波长多孔太赫兹光纤的TE模式和TM模式的z方向玻印廷矢量Sz分布图，其中z方向为垂直于纸面的方向。

从图2的模场分布图可以看出，TE模式相对于TM模式，能量更多的集中在椭圆空气孔中，TM模式的能量更多集中在中心圆孔及周围的介质中。这是由于TE模式电场沿水平方向分布，椭圆孔在水平方向的尺寸远小于波长，也小于其它圆形空气孔，且折射率小于周围介质，可近似看作狭缝波导，因此能量集中分布在椭圆形的空气孔中。TM模式电场沿垂直方向分布，椭圆孔在垂直方向上与其他圆空气孔尺寸一致，不具备狭缝波导的特性，使得能量更多的集中在光纤中心。由于两个模式的模场分布范围的不同，两个模式的有效折射率不同。TE模式更多分布在空气中，因此模式有效折射率较低，TM模式相对更多分布在介质中，因此模式有效折射率较高，进而产生了双折射特性。经过计算，加入椭圆孔之后TE模式的有效折射率n_TE＝1.1618，TM模式的有效折射率n_TM＝1.1704，双折射|n_TM-n_TE|＝0.0086。

采用如下公式分别计算图2中两种模场的尺寸D_i

$D_i=\frac{\∫\∫{\mathrm{iS}}_z(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫S_z(x,y)\mathrm{dxdy}}$

其中i＝X，Y时，D_i分别表示在x和y方向模式尺寸。经过计算得到图2所示TE模式D_X＝141.3μm，D_Y＝151μm，TM模式D_X＝151.5μm，D_Y＝145.2μm。考虑到所计算的区域在x和y方向均为所设计光纤结构的1/2，因此实际模场尺寸为2*Di。可以看出，模场尺寸约为所传输太赫兹波长的一半，为亚波长的多孔太赫兹光纤。

图3是高双折射亚波长多孔太赫兹光纤在0.1THz-1THz频率范围所述高双折射亚波长多孔太赫兹光纤的双折射曲线。

由图3可看出，所述高双折射亚波长多孔太赫兹光纤在0.3THz至1THz都有＞10^-3的高双折射，且随着太赫兹频率的增大，双折射不断增加，在1THz处，双折射高达1.72*10^-2，因此所设计高双折射亚波长多孔太赫兹光纤可应用于宽带太赫兹系统。

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的高双折射亚波长多孔太赫兹光纤结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高双折射亚波长多孔太赫兹光纤，光纤的横断面包括包层和纤芯，包层为包围纤芯的外部区域，组成材料为空气，纤芯的横断面外边界为圆形，纤芯由光纤基底材料和分布在其内部的圆形空气孔以及椭圆形空气孔组成，空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，中心空气孔位于纤芯的中心，每相邻的三个空气孔的中心为一个正三角形的三个顶点，除中心空气孔外，外围的空气孔中心可按照距离纤芯中心的远近分别连接成以纤芯的中心为中心的多个正六边形，其中组成最内层正六边形的空气孔为椭圆形空气孔，椭圆形空气孔的长轴平行或者垂直于正六边形的一条边，且所有椭圆形空气孔长轴方向一致，椭圆形空气孔关于以纤芯中心为原点、椭圆形空气孔的短轴和长轴方向为横纵坐标方向的直角坐标系的横坐标轴及纵坐标轴均呈对称分布，纤芯的直径大于所传输的太赫兹波的波长的0.7倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的2倍，圆形空气孔的直径大于所传输的太赫兹波的波长的0.05倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的0.2倍，圆形空气孔的直径与孔中心间距的比值大于0.5，且小于0.9，椭圆形空气孔长轴大于所传输的太赫兹波的波长的0.05倍，且小于所传输的太赫兹波的波长的0.2倍，长轴和短轴的长度比例大于1，且小于4，各个椭圆形空气孔大小一致，椭圆形空气孔的长轴与孔中心间距的比值大于0.5，且小于0.9。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述空气孔构成的以纤芯的中心为中心的正六边形的个数要大于2个。

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤基底材料必须是在太赫兹波段具有低损耗的介电材料。

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