CN102590931A - 一种温度可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器 - Google Patents

Abstract

一种可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其光子晶体光纤为纤芯包层结构，包层中央的实芯即为纤芯，包层中间设有三层呈正六边形排列的空气孔且相邻空气孔均呈正三角形排列，包层空气孔中填充对温度敏感的向列相液晶5CB且其分子长轴方向沿着光纤轴方向。本发明的优点是：在实芯光子晶体光纤的包层中填充液晶后，导光机制变为带隙效应，由于液晶具有对温度的敏感性，所以通过控制液晶工作环境的温度就可以改变液晶的折射率，从而灵活调谐光子晶体带隙来改变太赫兹波的传输频率，而无需改变光纤的几何结构。光纤材料采用聚乙烯，容易制备，节省了人力和物力，有利于降低生产成本。

Description

一种温度可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器

技术领域

本发明涉及一种实心塑料光子晶体光纤，特别是一种温度可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器。

背景技术

太赫兹波(Terahertz Wave)，是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波(1THz＝1012Hz)，物质在太赫兹波段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，在物理、化学、天文学、分子光谱、生命医学科学等基础领域以及医学成像、环境检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用领域具有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。太赫兹波滤波器是从包含多个频率分量的信号提取出所需要频率的信号，是一种重要的控制太赫兹波传输的器件，目前太赫兹滤波器主要基于液晶、量子阱、二维光子晶体、表面等离子体等结构。

自从2003年英国的Timothy D D报道了光子晶体太赫兹滤波器以来，引起了人们广泛的关注。光子晶体的概念最早由E.Yablonovitch和S.John分别提出，如果将不同介电常数的介质材料组成周期结构，光波受到介质周期势场的影响而具有能带，这种能带结构叫做光子带隙。能量与光子带隙相同的光子被禁止在该种带隙材料中传播。而光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)的概念最早由ST.J.Russell等人于1992年提出，它在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，具有和光子晶体类似的性质。如果其中一个孔遭到破坏或缺失，则会出现缺陷，光就能够在缺陷内传播。液晶是介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间中间态的一种物质，一般情况下光轴与分子的长轴方向一致，构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平状，其分子排列大部分具有固定的电偶极矩，由于液晶分子排列并不像晶体分子的排列那样牢固，所以很容易受到电场、磁场、温度、应力以及吸附杂质等外部刺激的影响，从而使其光学性质发生变化。当对液晶盒施加外部电场、磁场、温度、应力等时，液晶的双折射率将会发生变化。近年来，利用液晶的双折射特性，设计制作可调谐滤波器成为一大研究热点。我国台湾国立交通大学Ru-Pin Pan等利用液晶设计制作了太赫兹波利奥型可调滤波器，利用液晶的双折射率特性，通过调节延迟器，就可以得到所需的透射谱。

然而，利用量子阱和表面等离子体结构设计制备太赫兹滤波器工艺复杂，工作环境要求严格；利用液晶和光子晶体设计制备太赫兹波滤波器工艺简单，且能够在室温下运转，有着比较好的应用前景。为此，我们设计了一种全新的太赫兹波滤波器，把液晶材料填充到光子晶体光纤的空气孔内，通过控制液晶的双折射率来调谐光子晶体光纤带隙，改变太赫兹波的传输频率，达到宽调谐范围、窄带宽调谐滤波目的。

发明内容

本发明目的是克服以往的滤波器对制作工艺和工作环境的严格限制，提供一种工艺简单、能在室温下工作、并能灵活控制其传输频率的温度可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器。

本发明的技术方案：

一种可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其光子晶体光纤为纤芯包层结构，包层中央的实芯即为纤芯，包层中间设有三层呈正六边形排列的空气孔且相邻空气孔均呈正三角形排列，包层空气孔中填充对温度敏感的向列相液晶5CB且其分子长轴方向沿着光纤轴方向。

所述包层材料为聚乙烯，折射率为1.5。

所述空气孔的直径为0.5mm，空气孔中心距为1.25mm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为8.3mm。

所述液晶的工作温度为25-34℃。

本发明的优点和积极效果：

本发明在实芯光子晶体光纤的包层中填充液晶后，导光机制变为带隙效应。由于液晶具有对温度的敏感性，所以通过控制液晶工作环境的温度就可以改变液晶的折射率，从而灵活调谐光子晶体带隙来改变太赫兹波的传输频率，而无需改变光纤的几何结构。填充液晶前的实心光子晶体光纤所用的材料是容易获得的聚乙烯，并且其结构参数在mm量级，比普通的石英材料的光子晶体光纤更容易制备，并且所填充的液晶的工作温度在室温内容易调节，节省了人力和物力，有利于降低生产成本。

附图说明

图1该太赫兹波滤波器的截面结构示意图。

图中：1.包层    2.空气孔    3.纤芯

图2是液晶分子在包层空气孔中的填充方式。

图3是液晶o光折射率随温度的变化曲线。

图4是该太赫兹波滤波器的截止波长随温度的变化曲线。

具体实施方式

实施例：

一种可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，如图1所示，其光子晶体光纤为纤芯包层结构，包层材料为聚乙烯，折射率为1.5，包层1中央的实芯即为纤芯3，包层1中间设有三层呈正六边形排列的空气孔2且相邻空气孔2均呈正三角形排列，空气孔的直径为0.5mm，空气孔中心距为1.25mm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为8.3mm，包层空气孔2中填充对温度敏感的向列相液晶5CB，液晶5CB的折射率大于聚乙烯材料的折射率，25℃时5CB液晶的非常光的折射率和寻常光的折射率分别为1.77和1.58，填充时分子长轴方向沿着光纤轴方向，如图2所示。

包层材料为聚乙烯，折射率为1.5。在此填充方式下传播的光经历的折射率为液晶的寻常折射率。液晶的工作温度为25℃-34℃，在0.2-1.0THz的频率范围内并在此温度范围内液晶的寻常折射率范围为1.55-1.65，大于基底折射率，光通过带隙效应被限制在纤芯内传播。

2008年Ru-Pin Pan等人通过时域太赫兹光谱得到了5CB液晶温度依赖性的光学常数。并且从双折射率得到液晶的序参数和可见光波段一致。拟合出了液晶折射率随温度变化的关系：

n(T)＝A？(B T_R)^C                (1)

其中：n为液晶折射率，T_R为温度和清亮点的差值(T-T_C)。其中A、B、C为不同频率下o光或e光的拟合参数。此时T_C＝34℃，A、B、C为o光下的参数，频率为0.625THz。图3为液晶o光折射率随温度变化曲线。

把液晶掺入光子晶体光纤中，通过改变温度可以改变液晶的折射率，从而改变光子晶体光纤的传输波长，实现滤波功能。由下式可确定各物理量之间的关系：

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{2d}{m+1/2}\sqrt{n_2^2\left(T\right)-n_1^2},$ m＝1，2，…                   (2)

其中d为包层空气孔直径。n₂(T)为液晶折射率。n₁为基底折射率，取1.5。λ_m为谐振波长，即为截止波长，该波长的光从整个结构中逸出。

由(1)带入(2)变化得

$n\left(T\right)=\sqrt{{({\mathrm{\λ}}_m(m+\frac{1}{2})/2d)}^2+n_1^2}---\left(3\right)$

由(2)式可作出光子晶体光纤中截止波长(频率)随液晶工作温度变化的关系，如图4所示。

由图4可知，随着液晶有效折射率的变化，在光子晶体光纤中可传输的截止波长相应发生了变化，当周围温度等因素发生变化后，将导致液晶折射率发生变化，从而使得在光子晶体光纤中可传输光的波长发生了变化，由此设计出可调液晶光子晶体光纤太赫兹滤波器。

Claims (4)

1.一种可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其特征在于：其光子晶体光纤为纤芯包层结构，包层中央的实芯即为纤芯，包层中间设有三层呈正六边形排列的空气孔且相邻空气孔均呈正三角形排列，包层空气孔中填充对温度敏感的向列相液晶5CB且其分子长轴方向沿着光纤轴方向。

2.根据权利要求1所述可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其特征在于：所述包层材料为聚乙烯，折射率为1.5。

3.根据权利要求1所述可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其特征在于：所述空气孔的直径为0.5mm，空气孔中心距为1.25mm，三层正六边形排列空气孔的外接圆直径为8.3mm。

4.根据权利要求1所述可调的光子晶体光纤太赫兹波滤波器，其特征在于：所述液晶的工作温度为25-34℃。

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