CN102354017B - 一种太赫兹传输光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹波传输光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯是由圆管形的材料层和材料层中心的空气孔组成；所述包层由所述圆管外的空气组成；所述圆管的外径d _o满足d ₀<λ，λ为传输的太赫兹波长。该光纤在有效降低太赫兹波在光纤材料中传输的比例，从而降低太赫兹波传输损耗的同时，也避免了能量过多地在光纤外侧区域的传输，减小了光纤外侧区域对太赫兹波传输的影响。

Description

一种太赫兹传输光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种传输太赫兹波的光纤。

背景技术

近年来太赫兹技术的发展，对传输太赫兹波的波导技术也提出了更高的要求。除了可以采用传统的金属波导等实现传输外，人们也提出采用光纤来实现低损耗的太赫兹传输。太赫兹波在介质材料中传输时产生的吸收损耗很高。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。为此，必须采取有效措施减小太赫兹波在材料中的传输比例。减小材料的吸收损耗的一种方法是采用新型的光纤结构，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,” 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。申请号为200610102211.1中国发明专利 “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。这种光纤在包层中采用周期性的层状结构，实现了太赫兹波在空气芯中的传输，采用尺寸远大于传输波长的空气纤芯，有效降低了太赫兹波的吸收损耗和泄露损耗。同时，通过采用支撑条的方法，保证了光纤结构的稳定。但光纤结构复杂，制作难度较大。

还可以采用超大尺寸的聚合物管来实现低损耗传输[C.-H. Lai, et al., "Low-index terahertz pipe waveguides(低损耗太赫兹管状波导)," Opt. Lett., 2009, 34(21): 3457]。这种结构的特点是管的壁很薄，以减小光纤材料对太赫兹波的吸收，而管中心空气孔的尺寸很大。其传输原理类似于反共振反射波导(ARROW)，即在光纤中传输的模式本质上是一种泄露模，传输时会存在泄露损耗。但由于管的直径远远大于传输的太赫兹波长，仍可以实现较低损耗的光传输。这种结构的缺点是并非单模传输，同时管壁很薄而管中心孔的尺寸很大，因此，其结构稳定性较差。

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，由光纤的材料吸收所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，将太赫兹波耦合进光纤也较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现低损耗传输的太赫兹波的光纤。

本发明的技术方案是：一种太赫兹波传输光纤，包括包层和纤芯，所述纤芯是由圆管形的材料层和材料层中心的空气孔组成；所述包层为所述圆管外的空气层；所述圆管的外径d _o满足d ₀<λ，λ为传输的太赫兹波长。

进一步，所述圆管的外径d _o、圆管的内径d _i、圆管的折射率n _c，传输的太赫兹波长λ之间满足以下关系式：                                               

，其中

，

进一步，所述圆管材料的折射率n _c满足n _c<2。

本发明的技术效果是：采用空芯的圆管作为太赫兹波的传输媒介，在有效降低太赫兹波在光纤材料中传输的比例，从而降低太赫兹波的传输损耗的同时，避免了能量过多地在光纤外区域的传输，减小了光纤外侧区域对太赫兹波传输的影响。相比于采用实芯的亚波长光纤，在同样的传输损耗要求下，圆管结构允许管的外径更大，从而更容易操作、光纤纤芯面积更大，更容易将太赫兹波耦合进光纤。

附图说明

图1为所述的太赫兹光纤的横截面结构示意图；

图2为n_c=1.5, d_o=100 μm,d_i=50 μm的模场分布图；

图3为n_c=1.5, d_o=200 μm,d_i=150 μm的模场分布图；

图4为n_c=2, d_o=100 μm,d_i=50 μm的模场分布图；

图5为圆管结构太赫兹光纤的吸收损耗曲线；

其中：1-空气孔；2-材料层；3-空气。

具体实施方式

图1为所述太赫兹传输光纤的横截面示意图，光纤由对太赫兹波吸收损耗较低的材料组成亚波长光纤，光纤的纤芯由圆管形的材料层2和材料层中心的空气孔1组成，包层是由包围材料层2的空气3组成，圆管形材料层2的外径d _o满足d ₀<λ，λ为传输的太赫兹波长。

由于圆管形材料层2的外径小，因此，由材料层2与空气孔1和组成的纤芯可以看成是一个微结构的纤芯，即与实芯的纤芯相比，空气孔1减小了纤芯的折射率。

在纤芯较小时，可以将管状纤芯等效为一均匀折射率纤芯，其等效折射率可以根据空气孔和圆管的面积比例作平均而表示为：

，d _o为材料层2的外径、d _i为材料层2的内径、n _c为材料层2的折射率，λ为传输的太赫兹波长。由于其纤芯等效折射率仍大于包层(空气)折射率，这种光纤仍是一种基于全内反射原理的光纤。因此，其传输模式是传导模而非泄露模，不存在泄露损耗。所述的外径和内径均指直径。

为了保证单模传输，光纤的归一化频率V应满足：

，

其中

，

考虑到太赫兹波极易被光纤材料吸收，应减少太赫兹波在圆管中的传输比例，为此V值应该更小一些，一般情况下，应有

。

圆管形材料层2的折射率n _c满足n _c<2。这是因为，材料层2的折射率越大，为满足归一化频率的要求，其圆管形材料层2的内径也就要越大，从而使管壁很薄，增加了制作难度；同时，空气孔1的折射率为1，其与材料层2的折射率相差过大，使能量场更易分布在材料层和光纤外面的空气，导致光纤输入输出耦合的困难。另一方面，材料层2的折射率较低时，其允许的纤芯直径也较大，使光纤的制作和使用也更方便。

图2-4给出不同结构参数下，从纤芯中心开始，沿光纤半径方向的模场分布。由图2可见，在纤芯中间的空气孔1区域太赫兹波的幅值较大，模式场分布整体仍接近于高斯场分布。当空气孔1增大时（如图3所示），空气孔1中太赫兹波的幅值仍较大，也表明，应将整个结构看作纤芯。从图2和图4对比可以看出，同样的结构尺寸时，若材料层的折射率较高，则模式场的变形也较严重。因此，实际选用材料的折射率低一些为好。从图5通过内径为100μm、150μm和200μm的损耗曲线对比可以看出，只要圆管形材料层2的内径取得足够大，总能够将其吸收损耗降下来。

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n_c=1.5，传输的太赫兹波长为300 μm。

实施例一：

光纤截面结构如图1所示，其结构参数为d_o=200 μm，d_i=160 μm。在300μm波长处，其吸收损耗为8.3 dB/m。

实施例二：

光纤截面结构如图1所示，其结构参数为d_o=150 μm，d_i=105 μm。在300μm波长处，其吸收损耗为7.8 dB/m。

实施例三：

光纤截面结构如图1所示，其结构参数为d_o=300 μm，d_i=240 μm。在300μm波长处，其吸收损耗为21.3 dB/m。

Claims (2)

1.一种太赫兹波传输光纤，包括包层和纤芯，其特征在于：所述纤芯是由圆管形的材料层和材料层中心的空气孔组成；所述包层为所述圆管外的空气；圆管的外径d _o满足d ₀<λ，λ为传输的太赫兹波长；所述材料层的外径d _o、材料层的内径d _i、材料层的折射率n _c，传输的太赫兹波长λ之间满足以下关系式： 

，其中

， 

，

为纤芯等效折射率。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹波传输光纤，其特征在于：所述材料层的折射率n _c满足n _c<2。

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