CN102122022B - 一种太赫兹光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹光纤。该光纤 包括材料层，空气层和外环， 材料层和空气层交替排布，并由外环固定，形成稳定结构；其材料层和外环采用相同的 吸收损耗较低材料作为基质材料，材料层层数 N>2 ， 外环宽度a满足a≤0.1λ，其中：λ为传输的太赫兹波波长。该光纤适合传输太赫兹波，具有低损耗，高双折射率的优点，并且制作简单。

Description

一种太赫兹光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及传输太赫兹波的光纤。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1－10 THz（波长为30—3000 μm）范围内的电磁波(1THz=10¹²Hz)。近几年来，飞秒激光技术的发展和成熟为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展。

太赫兹波极易被介质材料吸收，对于THz波的传输来说，限制其传输损耗的一个关键因素就是材料对THz波的本征吸收。目前常用的太赫兹光纤制作材料的吸收损耗一般在几十dB/m到几百dB/m之间。减小材料的吸收损耗的一种方法是采用新型的光子晶体光纤结构，如多孔光纤[S. Atakaramians,et al., “Porous fibers: a novel approach to low loss THz waveguides,” Opt. Express，2008, 16(12): 8845]或空芯光子晶体光纤[L. Vincetti, “Numerical analysis of plastic hollow core microstructured fiber for Terahertz applications,” Opt. Fiber Technol., 2009, 15: 398]。其基本思想都是通过在光纤中引入空气孔，以降低太赫兹波分布在基质材料中的比例，从而减少材料对光的吸收。采用光子晶体光纤结构，人们已经获得了吸收损耗仅为几dB/m的低损耗太赫兹光纤。

具有高双折射特性的单模光纤由于可以保持光的偏振态、减小偏振光之间的耦合，在光信号检测与处理等领域有着重要的应用。采用光子晶体光纤结构，可以很容易获得具有高双折射的太赫兹光纤。如纤芯由两个实芯棒组成的高双折射太赫兹光纤[M. Cho,et al., “Highly birefringent terahertz polarization maintaining plastic photonic crystal fibers,” Opt. Express, 2008, 16(1): 7]，其双折射可达0.021。但由于光主要是在基质材料中传输，其吸收损耗无法降低。因此，这种结构的实用性较差。文献[S. Atakaramians,et al., “THz porous fibers: design, fabrication and experimental characterization,”Opt. Express, 2009, 17(16): 14053]公开了一种基于矩形孔结构的高双折射多孔光纤，其双折射可达0.012。但其吸收损耗过大，极大地限制了其应用范围。

专利号为ZL 200610102211.1的发明专利“一种实现太赫兹波的低损耗光纤”公开了采用蜘蛛网状的空心光纤，可以实现低吸收损耗的太赫兹波传输，但并不适用于获得高双折射。

发明内容

针对以上的不足，本发明的目的是提供一种实现低损耗、高双折射的用于传输太赫兹波的光纤。

本发明的技术方案是：包括材料层，空气层和外环；该材料层和空气层交替排布，材料层与外环的基质材料相同，固定于外环内部，材料层层数N>2，外环宽度a满足a≤0.1λ，其中：λ为传输的太赫兹波波长。

作为本发明的进一步改进，其空气层的截面面积与材料层和空气层的截面总面积比f≥40%。

本发明的技术效果是：材料层和外环由相同的材料组成，其折射率高于空气层的折射率，从而光纤的等效折射率大于其外侧的空气的折射率。太赫兹波进入光纤后有部分能量在光纤内部的空气层和光纤外部（即空气）中传输，从而减小光在材料中的比例，降低了其吸收损耗。

太赫兹波在光纤内部传输时，其两偏振基模的分布是不同的。其中x偏振模在空气层和材料层中的场强分布具有连续性，而y偏振模主要集中在空气层中传输。由于两偏振模的模场存在很大差别，从而导致两者有效折射率不同，进而产生了很高的双折射。由于光纤内部仅由几层材料组成，减低了其制作的复杂度和难度。

附图说明

图1为第一种太赫兹光纤的横截面结构示意图；

图2为第二种太赫兹光纤的横截面结构示意图；

图3为第三种太赫兹光纤的横截面结构示意图；

图4为光纤x偏振模的二维模场分布图；

图5 为光纤y偏振模的二维模场分布图；

图6 为光纤x偏振模在y轴上的模场分布；

图7 为光纤y偏振模在y轴上的模场分布；

图8光纤的吸收损耗与环宽的关系曲线图；

图9光纤的双折射与材料层厚度的关系曲线；

图10光纤x偏振模的吸收损耗随材料层厚变化的曲线图；

图11光纤y偏振模的吸收损耗随材料层厚变化的曲线图；

图12光纤内部含支撑条的结构示意图；

图13支撑条厚度与光纤吸收损耗的关系曲线；

图14支撑条厚度与双折射率的关系曲线；

其中：1-材料层；2-空气层；3-外环；4-支撑条。

具体实施方式

如图1、2或3所示，光纤由材料层1和空气层2交替排布而成，并通过外部的圆管形的外环3固定，组成稳定结构。材料层1和外环3采用相同基质材料组成。这种层状光纤的传光原理为：高折射率的材料层1和低折射率的空气层2及外环3组成等效的纤芯部分，其等效折射率大于其外侧的空气的折射率。空气层2的使太赫兹波进入光纤后有部分能量在光纤内部的空气层2和光纤外部（即空气）中传输，减小光在材料中的比例，降低了其吸收损耗。而太赫兹波在空气层2中的比例越高，光纤吸收损耗越小。由于光纤的折射率分布在水平和垂直方面明显不同，因此，光纤具有双折射特性。图4为光纤x偏振模的二维模场分布图，图5 为光纤y偏振模的二维模场分布图，图6 为光纤x偏振模在y轴上的模场分布，图7 为光纤y偏振模在y轴上的模场分布。从图中可见，太赫兹波在光纤内部传输时，其两偏振基模的分布是不同的，其中x偏振模在空气层2和材料层1中的场强分布具有连续性，而y偏振模主要集中在空气层2中传输。由于两偏振模的模场存在很大差别，从而导致两者有效折射率不同，进而产生了很高的双折射。

光纤外环3宽度对光纤的吸收损耗与双折射产生影响。如图8所示，其中吸收损耗随着环宽的增大而增大。其原因是环宽增大后，光在材料中的比例增加，从而导致吸收损耗的增加。当外环宽大到一定值时，传输的模式场将向外环集中，从而其吸收损耗将迅速增大，同时，其双折射也将迅速减小。为此，外环3宽度a的取值一般应满足a≤0.1λ，λ为传输的太赫兹波波长。为了减少光纤的吸收损耗，光纤外环宽度a最好满足a≤0.06λ。

材料层1越厚，模式的传输损耗也会越大。并且材料层1过薄或过厚都会导致两偏振模的场分布差别变小，从而使其双折射变小。而层周期Λ，即材料层厚度d与空气层厚度h之和，Λ=d+h，对光纤的双折射和吸收损耗无直接影响。图9为光纤的双折射与材料层厚度的关系曲线，图10和图11为光纤x偏振模和y偏振模的吸收损耗随材料层厚变化的曲线图，由图可见，在不同周期下，光纤的最大双折射值是相近的，且其吸收损耗大小也相近。这一现象同样可以根据光纤的传光原理来解释：当层周期尺寸远小于传输波长时，可以将光纤等效为一阶跃型光纤，即可以将光纤等效为具有单一折射率的均匀纤芯。在没有外环时，其在x和y偏振模传输时等效的均匀纤芯的折射率n _x 和n _y 可以表示为：

           (Ⅰ)

其中n _air 是空气的折射率，n _mat 表示材料的折射率，f是光纤内部的空气层2的截面面积占整个光纤横截面总面积（不包括外环3的面积）的比例，即空气占空比。在光纤基质材料确定的情况下，其等效的均匀纤芯的折射率仅取决于空气占空比f。即便层周期不同，在理想情况下，只要其空气占空比相同，则它们都可以等效为相同参数的阶跃型光纤。因而其双折射和吸收损耗数值相近。

利用公式（Ⅰ）可以求出n_x-n_y达到最大值时的空气占空比值。当光纤基质材料确定时，因为式中n _air 和n _mat 的大小已知，通过求导计算可以得出使n _x -n _y 最大时，f的取值。由于两者其它参数完全相同，而纤芯折射率差别最大，因此，此时光纤的双折射也将达到最大值。当n _mat =1.5时，根据公式（Ⅰ）算出当f=44.84%时，光纤具有最大双折射。但实际制作中由于外环3等非对称结构的引入，空气占空比相同而不同周期时，其达到最大双折射时对应的空气占空比并不完全相同，但一般相差很少。例如当光纤层周期Λ=60 μm时，光纤达到最大双折射时f =40.32%。光纤的基质材料的折射率n=1.4 ~ 1.5时，其最高双折射均出现在空气占空比f =40%左右。由于在达到最高双折射之前，光纤的双折射已经可以很高，而此时对应的空气占空比较低，这就会导致光纤基模的吸收损耗较大。因此，综合考虑实际对光纤的低吸收损耗与高双折射传输的要求，空气占空比的取值一般取为f≥40%。这样，光纤基模在空气中传输的比例一般可达50%以上，从而有效地降低其吸收损耗。如果要求模式的吸收损耗较低，可取更大的空气占空比。

光纤的基质材料应取吸收损耗较小的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等聚合物材料，其折射率n=1.4 ~ 1.5。

由于光纤的双折射来源于两偏振基模在材料层的能量分布的不同。因此，材料层1的层数N应大于2。由于光纤的双折射和吸收损耗仅取决于空气占空比，与材料层1的周期无关。而光纤半径、空气占空比等参数确定的前提下，材料层的数量越多，也就意味着材料层的厚度就越薄，从而增加了光纤制作的难度。因此，材料层数量一般可取为3 ~ 8层。

为了使层状光纤的结构更加稳固，可在光纤内部纵向加若干很细的支撑条4，截面如图12所示。如图13和图14为光纤损耗和双折射随支撑条厚度的变化曲线。显然，支撑条越厚，光纤损耗越大，同时，其双折射也越小。在保证支撑条4与材料层1相比，厚度较薄、数量较少的前提下，支撑条4的引入对光纤的吸收损耗与双折射影响很小。

以下实施例均以聚四氟乙烯为基质材料，其吸收损耗为130 dB/m，材料折射率为1.5，光纤截面半径r取为170μm，光纤在所示太赫兹波范围内保持单模传输。

实施例一：

光纤截面结构如图1所示，光纤特性如表1所示。由于空气占空比比较高，这种光纤的吸收损耗较低，但仍具有很高的双折射。由于这种光纤的吸收损耗适中，双折射较高，既可作为器件，也可用于短距离的传输。

  表1  光纤特性(光纤参数：Λ=20 μm，d=5 μm，f =76.25%，N=16，a=10 μm)

频率(THz)	0.8	0.9	1	1.1	1.2
						X偏振模的吸收损耗(dB/m)	22.10	25.00	27.12	28.68	29.86
Y偏振模吸收损耗(dB/m)	9.78	11.86	13.56	14.90	15.98
						双折射	0.031	0.036	0.041	0.044	0.047

实施例二：

光纤截面结构如图2所示。光纤特性如表2所示。这种光纤的空气占空偏低，光纤的双折射可达0.066。由于这种光纤的吸收损耗偏大，一般适合组成传感器等器件。

表2  光纤特性(光纤参数：Λ=40 μm，d=20 μm，f =48.88%，N=8，a=10 μm)

频率(THz)	0.5	0.6	0.7	0.8
					X偏振模的吸收损耗(dB/m)	27.87	39.83	48.17	53.64
Y偏振模的吸收损耗(dB/m)	12.47	19.80	25.96	30.42
					双折射	0.027	0.044	0.057	0.066

实施例三：

光纤截面结构如图3所示，光纤特性如表3所示。在表中所示频率范围内，此层状光纤的x偏振模的吸收损耗均小于25 dB/m，y偏振模的吸收损耗小于15 dB/m，双折射最高可达0.034。当入射太赫兹波为1THz时， x和y偏振模的吸收损耗均小于20 dB/m，且双折射可达0.025。因此，这种光纤适合用于较长距离的传输。

表3  光纤特性(光纤参数：Λ=60 μm，d=10 μm，f =83.97%，N=6，a=10 μm)

频率(THz)	0.8	0.9	1	1.1	1.2	1.3	1.4
								X偏振模的吸收损耗(dB/m)	13.49	16.06	18.07	19.68	21.01	22.11	23.10
Y偏振模的吸收损耗(dB/m)	5.99	7.55	8.99	10.23	11.30	12.23	13.08
								双折射	0.017	0.021	0.025	0.028	0.031	0.033	0.034

从以上三个实施例可以看出，可以灵活地选择光纤的结构参数获得高双折射和低吸收损耗传输。

Claims (7)

1.一种太赫兹波光纤，包括材料层（1），空气层（2）和外环（3）；其特征在于：材料层（1）和空气层（2）交替排布，所述材料层（1）与外环（3）的基质材料相同，固定于外环（3）内部，材料层（1）层数N>2，外环（3）宽度a满足a≤0.1λ，其中：λ为传输的太赫兹波长；所述空气层（2）的截面面积与材料层（1）和空气层（2）的总截面面积比f 的取值为

40%≤f ≤48.88%。

2.如权利要求1所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述基质材料的折射率n=1.4 ~ 1.5。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述外环（3）宽度a取值为a≤0.06λ，其中：λ为传输的太赫兹波长。

4.如权利要求1或2所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述材料层（1）层数N取值为3≤N≤8。

5.如权利要求3所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述材料层（1）层数N取值为3≤N≤8。

6.如权利要求1或2所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述空气层（2）内有纵向连接相邻材料层（1）的支撑条（4）。

7.如权利要求6所述的太赫兹波光纤，其特征在于：所述支撑条（4）的厚度小于材料层（1）的厚度。

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