CN102608695A

CN102608695A - 一种太赫兹保偏光纤及其制作方法

Info

Publication number: CN102608695A
Application number: CN2012100988290A
Authority: CN
Inventors: 汤晓黎; 孙帮山; 石艺尉
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明属于光电子材料技术领域，具体涉为一种太赫兹保偏光纤及其制作方法。本发明的太赫兹保偏光纤为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到，其横截面为椭圆，根据目标双折射和传输损耗，椭圆的长轴和短轴之比为2～4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。该结构光纤在1THz（300μm）处可获得3×10^-2的模式双折射和2.4dB/m的吸收损耗。

Description

一种太赫兹保偏光纤及其制作方法

技术领域

本发明属于光电子材料技术领域，具体涉及太赫兹保偏光纤结构及其制作方法。

背景技术

太赫兹保偏光纤的研究尚处于起步阶段，文献多为理论研究结果，实际制备的太赫兹保偏光纤很少。通常采用几何结构的不对称性引入双折射，模式双折射（相双折射）可达10^-2数量级。已报道的太赫兹高双折射光纤主要为光子晶体光纤、多孔光纤和聚合物管光纤。传输损耗大是目前太赫兹保偏光纤的主要问题之一。在已报道的太赫兹高双折射光纤中，损耗通常为几十dB/m。这是因为绝大多数介质材料在太赫兹波段的吸收损耗较高。干燥空气对太赫兹波几乎没有吸收，因此人们通过各种方法提高太赫兹波在空气中的传输能量比例，从而降低传输损耗。然而，不论是光子晶体光纤、多孔光纤还是聚合物管光纤，部分能量还是通过介质来传输。太赫兹高双折射光纤的另外一个问题是对波的束缚能力弱，这不利于波的稳定传输。

为了改善传输损耗大和束缚能力弱的问题，我们基于介质/金属空芯光纤结构研究高双折射太赫兹光纤。介质/金属空芯光纤是通过在基管内面镀金属膜和介质膜得到的。介质膜能增加内表面反射率，从而有效降低光纤损耗。由于内膜在太赫兹波段的高反射率，绝大部分能量（> 99%）被束缚在空气纤芯中传输。这一方面有效降低了传输损耗，另一方面使得光纤传输特性不易受到环境干扰。该光纤具有传输损耗小、柔韧性好、结构简单等优点，是一种有发展前景的太赫兹传输光纤。可用于传输光，以及制作各种光电子器件、气体或者液体传感器等，广泛应用在医疗、科研、工业等领域。

发明内容

本发明的目的在于提出一种低损耗、高双折射的太赫兹保偏光纤优化结构及其制作方法。

1、低损耗、高双折射太赫兹光纤的结构参数的确定

本发明提出的太赫兹保偏光纤，为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到。本发明通过引入椭圆横截面获得模式双折射。其结构如图1所示。其中a为椭圆截面长轴半径，b为椭圆截面短轴半径，d为介质膜厚度，s为金属膜厚度。优化设计主要从损耗和模式双折射两个方面考虑。模式双折射表示为：B=|neff _x-neff _y|，其中neff _x、neff _y分别表示x偏振和y偏振的有效折射率。

图2为模式双折射和椭圆度（a/b）的关系曲线，图3为损耗和椭圆度的关系曲线。考虑三种短轴半径： 300 μm、 400 μm、500 μm。图2中三条曲线均在a/b =3附近得到双折射最大值。结合图3，随着椭圆度的增加，损耗先是迅速降低，然后平缓下降。在椭圆度大于3的区域，损耗的变化并不是很明显。结合这两个图，我们可以得到，对于双折射和损耗，椭圆度在3左右是比较理想的选择。在实际操作时，可取较优的椭圆度为2～4，更优选2.5～3.5。

接着分析光纤孔径和双折射、损耗的关系。图4为双折射和归一化孔径（

）的关系曲线，λ为传输波长。计算中取传输波长为300μm。可见，归一化孔径越大，双折射越小。图中离散的点是计算结果，实线对应表达式：B= 0.16 (

)^-3，点和实线吻合得很好。我们考虑了不同波长的情况，如图4中插图所示，当归一化孔径一定，双折射是恒定值。图5是损耗和归一化孔径的关系曲线。归一化孔径越大，损耗越小。然而当归一化孔径一定，双折射和波长有关，波长越小，损耗越小。结合这两个图，我们可以得到两个结论：① 双折射和损耗都和

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成正比。从这个角度，在选择光纤孔径尺寸的时候，要权衡损耗和双折射这两个因素；② 在长波长，更容易获得低损耗、高双折射光纤。

根据以上分析，在实际制备中，根据目标双折射和传输损耗选择长轴和短轴之比为2~4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。理论上，该结构光纤在1 THz （300 μm）处可获得3×10^-2的模式双折射和2.4 dB/m的吸收损耗。

2、本发明的低损耗、高双折射太赫兹光纤的制作方法，具体步骤如下：

（1）确定光纤孔径参数：根据目标双折射和传输损耗选择长轴和短轴之比在2~4之间，优选2.5～3.5；并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸；

（2）加热并径向挤压圆形树脂毛细管，获得椭圆毛细管；

（3）活化处理，使用0.1~1 %质量分数的SnCl₂水溶液处理空芯光纤毛细管内壁表面，时间8～15s，通过这一步骤可以加快银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；

（4）液相镀银，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管内壁表面镀一层银膜（Ag）。渡膜装置如图6所示；

（5）液相镀介质膜，利用蠕动泵使树脂溶液以一定速度流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。渡膜装置如图7所示。

附图说明

图1：光纤截面示意图。

图2：模式双折射和椭圆度的关系。

图3：损耗和椭圆度的关系。

图4：模式双折射和归一化孔径的关系。

图5：损耗和归一化孔径的关系。

图6：银镜反应装置图。

图7：液相镀膜装置图。

图中标号：1为空芯光纤毛细管（树脂管），2为银氨溶液瓶，3为葡萄糖溶液瓶，4为废液瓶，5为真空泵，6为树脂溶液瓶，7为内壁表面镀有银膜的空芯光纤毛细管，8为蠕动泵；9为基管，10为金属膜，11为介质膜，12为空气。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

目标波长为300 μm。光纤拟达到的目标参数为：模式双折射为2×10^-2，损耗为2-5 dB/m。首先，根据设定的光纤结构参数，制备椭圆基管。然后，使用质量浓度为0.1%的SnCl₂水溶液活化空芯光纤基管管内壁表面，通过这一步骤可以加快下一步银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；然后，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在基管内壁镀一层银膜；最后，以环己烷为树脂颗粒的溶剂，获得一定浓度的树脂溶液。利用蠕动泵使树脂溶液以一定速度流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。通过调节树脂溶液浓度、溶液流速，得到不同厚度的介质内膜。

具体的操作步骤及参数：

1、确定光纤结构参数：根据目标参数，选定长轴和短轴之比为3。由目标双折射2×10^-2以及关系式B= 0.16 ()^-3，计算得到a=1 mm、b=346 μm。此时，理论损耗为2.1 dB/m；

2、加热并径向挤压内径圆形PC基管，获得内半径为360 μm×1.1mm的椭圆基管；

3、利用附图6所示装置，将图中的AgNO₃溶液和葡萄糖溶液用SnCl₂溶液（浓度为0.1%质量分数）替代，用真空泵均匀、快速地抽取溶液约10--13s，使其通过空芯光纤毛细管（树脂管）。通过这一步骤可以加快银膜沉积的速度，并减少银膜表面的粗糙度；

4、利用附图6所示装置，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管（树脂管）内壁镀一层银膜。此步骤属于本领域的常规的工艺步骤，在此不赘述；

5、将镀好银膜的空芯光纤毛细管用氮气吹干，利用附图7所示装置，用蠕动泵抽取COP溶液，COP溶液浓度、流速和温度可以根据实际实验条件和目标波长调节。

Claims

1.一种太赫兹保偏光纤，其特征在于为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到，其横截面为椭圆，根据目标双折射和传输损耗，椭圆的长轴和短轴之比为2～4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。

2.一种如权利要求1所述的太赫兹保偏光纤的制作方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）确定光纤孔径参数：根据目标双折射和传输损耗，选择长轴和短轴之比在2~4之间，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸；

（2）加热并径向挤压圆形树脂毛细管，获得椭圆毛细管；

（3）活化处理，使用0.1~1 %质量分数的SnCl₂水溶液处理空芯光纤毛细管内壁表面，时间8～15s；

（4）液相镀银，使用液相镀膜法，利用银镜反应的原理在空芯光纤毛细管内壁表面镀一层银膜；

（5）液相镀介质膜，利用蠕动泵使树脂溶液流过镀银光纤，残留的液相膜被干燥后形成光滑的光学薄膜。