CN102338905B

CN102338905B - 一种传输太赫兹波的光纤

Info

Publication number: CN102338905B
Application number: CN 201110284989
Authority: CN
Inventors: 陈明阳; 张永康; 付晓霞
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102338905A

Abstract

本发明公开一种传输太赫兹波的光纤，该光纤包括主体和连接于所述主体两端的连接头；所述主体由包层和主体纤芯（1）组成，所述主体纤芯(1)为基质材料制成的实芯棒，所述包层是由气体或真空的内包层（2）和圆管形外包层（3）组成；所述连接头由连接头纤芯（4）和与所述连接头纤芯（4）固定连接的连接头包层（5）组成，所述连接头纤芯（4）和所述主体纤芯（1）连成一体，且材料和直径相同；所述连接头包层（5）与所述外包层（3）密闭连接，与连接头纤芯（4）固定连接。该光纤能实现低损耗的传输的同时降低外界环境对太赫兹传输的干扰。

Description

一种传输太赫兹波的光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹波传输领域，尤其涉及一种用于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。太赫兹波可以采用金属线等方法来进行传输，也可以采用光纤结构。对于太赫兹光纤来说，其主要问题是太赫兹波极易被介质材料吸收。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微结构光纤，如多孔光纤[S. Atakaramians,et al., “Porous fibers: a novel approach to low loss THz waveguides(多孔光纤：制作低损耗太赫兹波导的新方法),” 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(数值分析塑料空芯微结构光纤在太赫兹波段的应用),” 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。国家发明专利 “一种实现太赫兹波的低损耗光纤（ZL 200610102211.1）” 公开了采用蜘蛛网状的空芯光纤，可以实现低吸收损耗的太赫兹波传输，但其结构复杂，制作难度大。

采用亚波长尺寸的光纤也可以获得低损耗的太赫兹传输[L.-J. Chen, et al., "Low-loss subwavelength plastic fiber for terahertz waveguiding(用于传输太赫兹波的低损耗亚波长塑料光纤)," Opt. Lett., 2006, 31(3): 308]。它实际上是将亚波长的光纤作为纤芯，外界空气作为包层，当纤芯尺寸较小，从而较多能量在空气中传输时，由光纤的材料吸收引起的损耗就可能降低。这种结构的缺点是，光纤的直径不能过小，否则光纤的机械性能差；同时，太赫兹波在光纤外的传输能量过多，容易受外界环境的干扰。

还可以采用支撑条结构，将纤芯悬在空气中[M. Rozé, et al., "Suspended core subwavelength fibers: towards practical designs for low-loss terahertz guidance(悬空纤芯亚波长光纤：用于实现低损耗太赫兹传输的实际设计)," Opt. Express, 2011, 19(10): 9127]。但这种结构制作复杂，同时，支撑条的存在，仍然会增大材料对太赫兹波的吸收。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、性能稳定、低损耗传输太赫兹波的光纤。

本发明的技术方案是：一种传输太赫兹波的光纤，包括主体和连接于所述主体两端的连接头；所述主体由包层和主体纤芯组成，所述主体纤芯为基质材料制成的实芯棒，所述包层是由气体或真空的内包层和圆管形外包层组成；所述连接头由连接头纤芯和与所述连接头纤芯固定连接的连接头包层组成，所述连接头纤芯和所述主体纤芯连成一体，且材料和直径相同；所述连接头包层与所述外包层密闭连接。

进一步，所述主体纤芯的半径满足V<2.405，这里

Figure 201110284989X100002DEST_PATH_IMAGE002

，r为主体纤芯的半径，λ为传输的太赫兹波长，n _core为主体纤芯的折射率。

进一步，所述连接头纤芯与连接头包层的折射率差Δn满足Δn≤0.02。

进一步，所述连接头的长度L_c满足：L_c≤10 mm且L_c≤50λ。

进一步，所述连接头包层的外径小于等于所述外包层的内径。

进一步，所述主体长度小于1米。

本发明的技术效果是：本发明采用连接头实现对光纤主体纤芯的固定，使纤芯被悬空，从而既可以获得低损耗的传输，又能够避免外界环境对太赫兹传输的干扰；采用连接头将亚波长尺寸的主体纤芯悬置在气体或真空中，从而有效地避免了采用支撑条等结构时，支撑条材料对太赫兹波的吸收。而圆管形外包层的应用避免了主体纤芯直接暴露在空气中易受到外界环境的干扰，以及性能稳定性差等问题。并且与直接采用亚波长光纤传输太赫兹波的结构比较而言，这种光纤的纤芯直径可以更小，从而有效地降低了吸收损耗。

附图说明

图1为光纤主体的横截面示意图；

图2为光纤连接头的横截面示意图；

图3为主体纤芯直径为100 μm时，输入端连接头的连接损耗与折射率差的关系曲线；

图4为为主体纤芯直径为205.4 μm时，输入端连接头的连接损耗与折射率差的关系曲线；

图5 为光纤输出端连接头的连接损耗与折射率差的关系曲线；

其中：1-主体纤芯；2-内包层；3-外包层；4-连接头纤芯；5-连接头包层。

具体实施方式

一种太赫兹传输光纤，包括光纤主体和连接于主体两端的连接头。如图1所示，光纤主体的主体纤芯1是基质材料制成的实芯棒，包层由气体或真空的内包层2和圆管形的外包层3组成，主体纤芯1位于外包层3的圆管中心位置。太赫兹波主要在主体纤芯和内包层中传输，外包层主要起将传输的太赫兹波与外界隔开的作用。

如图2所示，连接头由连接头纤芯4和连接头包层5组成，连接头纤芯4与主体纤芯1连接为一体（在实际制作中，连接头纤芯4可以为主体纤芯5的延长部分），且与主体纤芯1的材料和直接相同；连接头包层5与外包层密闭连接，且与外包层的材料相同。连接头除了具有固定纤芯的作用外，同时也将整根光纤封闭起来，避免外界气体进入光纤内部。

光纤应保持单模传输，因此，其归一化频率V应满足V<2.405，即主体纤芯1的半径r满足

，且V<2.405。这里r为主体纤芯1的半径，λ为传输的太赫兹波长，n _core为主体纤芯1的折射率。

连接头在输入和输出端的耦合效率是不同的。在输入端，连接头的数值孔径一般远小于光纤主体的数值孔径。由于光纤的聚光能力强，因此，其耦合效率较高。连接头纤芯4和连接头包层5的折射率差可以大一些。但也不能超过一定值，因为当其数值孔径较大时，连接头与光纤主体在场分布上的差异明显，其耦合效率降低。只有当连接头的数值孔径增大到与光纤主体相当时，其耦合效率才会开始增加。但由于两者纤芯要匹配，折射率必须相同，因而只能减小连接头包层的折射率，但这在技术上很难做到，因为很难找到折射率接近于1且机械性能较好的固体材料。从图3和图4对比可见，当主体纤芯1的尺寸较小时，输入端的连接头纤芯4与连接头包层5的折射率差可以更大一些。而当主体纤芯1尺寸较大时，要求输入端连接头纤芯4与连接头包层5的折射率差需较小。由于太赫兹波是从小数值孔径的光纤头进入大数值孔径的光纤主体，当输入端连接头数值孔径较小时，其连接损耗很小。为保证连接损耗较小，优选连接头纤芯4与连接头包层5的折射率差Δn满足Δn≤0.02。

对于输出端连接头，由于太赫兹波是从数值孔径大的光纤主体进入到数值孔径小的光纤连接头，因此，在理论上这种耦合会更困难。但当连接头长度较短时，仍然可以实现较高的耦合效率。如图5所示，只有当太赫兹波在连接头处传输较长距离时，其损耗才逐渐增大。因此，只要连接头小于一定长度，其损耗就可以较低。

作为优化的方案，要求连接头的长度L_c应满足L_c≤10 mm且L_c≤50λ。这是因为连接头处太赫兹波在材料中传输，为减小连接头处材料吸收引起的损耗，连接头长度不能太长。另一方面，对于输出端而言，较短的光纤长度可以有效减小太赫兹波由于数值孔径的不匹配引起的损耗。当太赫兹波长较短时，允许的连接头长度远小于10 mm，因此，可以以波长作为参考要求L_c≤50λ，否则输出端的耦合损耗较大；而当太赫兹波长较长时，连接头最好也要小于10mm，否则，随着连接头长度增加，其材料的吸收损耗会相应增大。

不同的主体纤芯1参数下，对外包层的内径大小要求也是不同的。外包层内径过小，会导致光纤的束缚损耗增大。主体纤芯直径越小，太赫兹波向外扩展得越多，要求外包层的内径也要越大。

本发明的太赫兹光纤的制作过程为：首先制作主体纤芯1和圆管形外包层3，以及连接头包层5。其中连接头包层5的外径与圆管形外包层3的内径相同或比管状包层的内径略小。然后将主体纤芯放入圆管中，再将两端的连接头包层5分别穿入主体纤芯两端，并将连接头包层5压入圆管形外包层3内。再将主体纤芯1两端拉直，并采用熔接或粘接的方法将主体纤芯1与连接头包层5固定在一起。最后去除纤芯突出的部分。为方便压入与固定，连接头包层5可以做成锥形。为保证光纤结构的稳定性，光纤长度一般在1 m以内。为了降低空气中的水汽对太赫兹波的吸收，光纤内包层2中可以采用填充经过干燥处理的空气。

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。

实施例一：

光纤截面结构如图1所示，连接头横截面如图2所示。输入端连接头长度为10 mm，输出端连接头长度为10 mm，主体纤芯1直径为100 μm，内包层2为空气，外包层3的内径为3000 μm，外径为6000 μm。主体纤芯1折射率为1.5，外包层3折射率为1.49，连接头纤芯4所用材料与主体纤芯1相同，连接头包层5所用材料与外包层3相同。入射太赫兹波长为300 μm时，在光纤中传输时的总损耗小于15 dB/m。

实施例二：

光纤截面结构如图1所示，连接头横截面如图2所示。输入端连接头长度为5 mm，输出端连接头长度为5mm，主体纤芯1直径为150 μm，内包层2为空气，外包层3的内径为2000 μm，外径为4000 μm。主体纤芯1折射率为1.5，外包层3折射率为1.49，连接头纤芯4所用材料与主体纤芯1相同，连接头包层5所用材料与外包层3相同。入射太赫兹波长为300 μm时，在光纤中传输时的总损耗小于70 dB/m。

实施例三：

光纤截面结构如图1所示，连接头横截面如图2所示。输入端连接头长度为10 mm，输出端连接头长度为5mm，主体纤芯1直径为80 μm，内包层2为空气，外包层3的内径为6000 μm，外径为10000 μm。主体纤芯1折射率为1.5，外包层3折射率为1.48，连接头纤芯4所用材料与主体纤芯1相同，连接头包层5所用材料与外包层3相同。入射太赫兹波长为300 μm时，在光纤中传输时的总损耗小于3 dB/m。

Claims

1.一种传输太赫兹波的光纤，其特征在于：包括主体和连接于所述主体两端的连接头；所述主体由包层和主体纤芯（1）组成，所述主体纤芯(1)为基质材料制成的实芯棒，所述包层是由气体或真空的内包层（2）和圆管形外包层（3）组成；所述连接头由连接头纤芯（4）和与所述连接头纤芯（4）固定连接的连接头包层（5）组成，所述连接头纤芯（4）和所述主体纤芯（1）连成一体，且材料和直径相同；所述连接头包层（5）与所述外包层（3）密闭连接，与连接头纤芯（4）固定连接；所述主体纤芯(1)的半径满足V<2.405，这里

Figure 201110284989X100001DEST_PATH_IMAGE001

，r为主体纤芯(1)的半径，λ为传输的太赫兹波长，n _core为主体纤芯(1)的折射率，V为归一化频率。

2.根据权利要求1所述的一种传输太赫兹波的光纤，其特征在于：所述连接头纤芯(4)与连接头包层(5)的折射率差Δn满足Δn≤0.02。

3.根据权利要求1所述的一种传输太赫兹波的光纤，其特征在于：所述连接头的长度L_c满足：L_c≤10 mm且L_c≤50λ。

4.根据权利要求1所述的一种传输太赫兹波的光纤，其特征在于：所述连接头包层（5）的外径小于等于所述外包层（3）的内径。

5.根据权利要求1所述的一种传输太赫兹波的光纤，其特征在于：所述主体长度小于1米。