CN102520475A - 传输太赫兹波的空心光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传输太赫兹波的空心光纤，包括空心芯区以及设于所述空心芯区外的包层，所述空心光纤还包括在所述空心芯区外周周向围设至少一圈的多根金属丝。本发明的空心光纤利用嵌入在包层中的一圈或多圈金属丝对太赫兹波的反射实现空心导光，从而降低材料损耗的影响，实现太赫兹波的低损耗传输；相比于传统的内壁镀金属和介质层的空心光纤，本发明能够使用预制棒熔拉法制备，适合大规模生产，有利于降低成本。

Description

传输太赫兹波的空心光纤

技术领域

本发明涉及特殊光纤技术领域，尤其涉及一种传输太赫兹波的空心光纤。

背景技术

太赫兹波是频率在0.1～10THz范围内的电磁波。由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测的方法，长期以来太赫兹技术一直处于空白状态，成为电磁波频谱中最后需要开发的一个频段。太赫兹波技术在安全防卫，化学化工，生物，医疗诊断，天体物理等方面都有着非常好的应用前景。太赫兹技术主要包括：太赫兹波的产生(太赫兹源)，太赫兹波的传输(太赫兹光纤)和太赫兹波的检测(太赫兹探测器)等三个方面。近年来，随着各国在该领域的大力投入，太赫兹技术在太赫兹波的产生和检测等方面已经取得了许多进展。然而由于大部分材料在太赫兹波段都有着较高的损耗，因此目前太赫兹波还缺少合适的低损耗传输光纤。

空心光纤是降低材料损耗的影响的一种重要手段，因为电磁波主要集中在光纤的空心芯区内，只有很少的一部分在包层中的材料中传输。目前主要的空心光纤有空心光子晶体光纤和内壁镀金属和介质层的空心光纤。空心光子晶体光纤是利用包层中光子晶体的光子带隙效应实现空心导光的。由于太赫兹波的波长较大，因此用于实现太赫兹波传输的空心光子晶体光纤的包层也会较粗，从而降低了其柔韧性和灵活性。内壁镀金属和介质层的空心光纤是利用金属对电磁波的高反射特性和介质层的干涉特性实现空心导光。相比于光子晶体空心光纤，其优点是尺寸大小不受太赫兹波波长的影响。其制备方法是利用化学方法在一根已经拉制好的空心介质管的内壁依次镀上金属层和介质层。相比于预制棒熔拉法，这种制备方法效率低，操作复杂，且难以制备20米以上的光纤。因此目前需要一种能用预制棒熔拉法制备的，且尺寸相对较小，能够保持光纤的柔韧性和灵活性的空心光纤。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构相对简单、制备容易、同时保持一定的柔韧性的传输太赫兹波的空心光纤。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种传输太赫兹波的空心光纤，包括空心芯区以及设于所述空心芯区外的包层，所述空心光纤还包括在所述空心芯区外周周向围设至少一圈的多根金属丝。

优选地，所述金属丝嵌设于所述包层靠近空心芯区的内壁中。

优选地，所述空心芯区的材料为空气。

优选地，所述包层的材料为太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物。

优选地，所述太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯或聚苯乙烯。

优选地，所述金属丝的直径小于等于100μm。

优选地，所述金属丝为银丝、铝丝、金丝、铜丝、铁丝、镆丝、镍丝、锡丝、钨丝或钛丝。

优选地，所述金属丝形成的圈数为多圈时，各圈的金属丝根数相等。

优选地，设所述金属丝形成的圈数为N，在所述空心光纤的横截面上，第n+1圈中每一根金属丝的圆心在与该金属丝相邻的第n圈中两根金属丝的圆心连线的垂直平分线上，其中N为大于等于2的自然数，n为大于等于2、小于N的自然数。

(三)有益效果

本发明的空心光纤利用嵌入在包层中的一圈或多圈金属丝对太赫兹波的反射实现空心导光，从而降低材料损耗的影响，实现太赫兹波的低损耗传输，其结构相对简单，同时保持一定的柔韧性；相比于传统的内壁镀金属和介质层的空心光纤，本发明能够使用预制棒熔拉法制备，适合大规模生产，有利于降低成本。

附图说明

图1为根据本发明实施例二中的传输太赫兹波的空心光纤的横截面结构示意图；

图2为使用全矢量有限元方法计算得到的本发明实施例二中的空心光纤基模HE₁₁模的z方向时间平均能量密度分布图以及横向电场矢量图，其中z方向为垂直纸面向里的方向；

其中，1：空心芯区；2：金属丝；3：包层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

实施例一：

一种传输太赫兹波的空心光纤，包括空心芯区以及设于所述空心芯区外的包层，所述空心光纤还包括在所述空心芯区外周周向围设至少一圈的多根金属丝。所述金属丝嵌设于所述包层靠近空心芯区的内壁中。

所述空心芯区的材料为空气。

所述包层的材料为太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物；所述太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯或聚苯乙烯。

所述金属丝的直径小于等于100μm。所述金属丝为银丝、铝丝、金丝、铜丝、铁丝、镆丝、镍丝、锡丝、钨丝或钛丝。

所述金属丝形成的圈数为多圈时，各圈的金属丝根数相等。设所述金属丝形成的圈数为N，在所述空心光纤的横截面上，第n+1圈中每一根金属丝的圆心在与该金属丝相邻的第n圈中两根金属丝的圆心连线的垂直平分线上，其中N为大于等于2的自然数，n为大于等于2、小于N的自然数。

实施例二：

如图1所示，本发明为实施例一更为具体的实施方式，本实施例记载的传输太赫兹波的空心光纤包括空心芯区1、包层3以及嵌入在包层3中的金属丝2。

其中，空心芯区1的材料为空气，其在2.5THz的折射率为1.0-j1.1×10^-6，直径为2mm。

包层3的材料选用聚苯乙烯，其在2.5THz的折射率为1.58-j0.0036，外径为4mm。

金属丝2的材料为银，其在2.5THz的折射率为308-j532，直径为100μm。

嵌入在包层3中的金属丝2形成的圈数N为2，每一圈有60根金属丝2。在空心光纤的横截面上，第一圈(靠近内壁的一圈)金属丝2的圆心到空心芯区1圆心的距离为1.0509mm，第二圈金属丝2的圆心到空心芯区1圆心的距离为1.1447mm。

图2为使用全矢量有限元方法计算得到的上述空心光纤在2.5THz处的基模HE₁₁模的z方向时间平均能量密度分布图以及横向电场矢量图，其中z方向为垂直纸面向里的方向。

从图2中的z方向时间平均能量密度分布图可以看出，基模HE₁₁模的绝大部分能量都集中在空心芯区1内。计算得到的HE₁₁模的有效折射率为0.998865-j3.878012×10^-6，折算成损耗为1.7dB/m，优于现在大部分太赫兹光纤的损耗。

本发明记载的传输太赫兹波的空心光纤的制备方法可以利用申请号为200810118703.9的发明专利“一种光电同传纤维及其制造方法”中提供的方法，即将钻好孔的预制棒和金属细丝共同拉丝。此外，对于低熔点的金属，如锡或其合金，可以参考文献“Nature Materials，Vol.6，PP 336-347，2007”中的方法，将与预制棒中的钻孔大小匹配的金属棒嵌入钻孔中，在预制棒熔拉过程中金属棒将变成液态，随钻孔一起收缩，待光纤出拉丝炉冷却后，即变成嵌入在光纤包层中的金属丝。上述两种制备方法均可实现预制棒熔拉法制备出本发明提供的光纤，从而有利于大规模生产，降低成本。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种传输太赫兹波的空心光纤，包括空心芯区(1)以及设于所述空心芯区(1)外的包层(3)，其特征在于，所述空心光纤还包括在所述空心芯区(1)外周周向围设至少一圈的多根金属丝(2)。

2.如权利要求1所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述金属丝(2)嵌设于所述包层(3)靠近空心芯区(1)的内壁中。

3.如权利要求1所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述空心芯区(1)的材料为空气。

4.如权利要求1所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述包层(3)的材料为太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物。

5.如权利要求4所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述太赫兹波低损耗的热塑性有机聚合物为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯或聚苯乙烯。

6.如权利要求1所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述金属丝(2)的直径小于等于100μm。

7.如权利要求1或6所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述金属丝(2)为银丝、铝丝、金丝、铜丝、铁丝、镆丝、镍丝、锡丝、钨丝或钛丝。

8.如权利要求1所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，所述金属丝(2)形成的圈数为多圈时，各圈的金属丝(2)根数相等。

9.如权利要求8所述的传输太赫兹波的空心光纤，其特征在于，设所述金属丝(2)形成的圈数为N，在所述空心光纤的横截面上，第n+1圈中每一根金属丝(2)的圆心在与该金属丝(2)相邻的第n圈中两根金属丝(2)的圆心连线的垂直平分线上，其中N为大于等于2的自然数，n为大于等于2、小于N的自然数。

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