CN103048729B - 一种太赫兹多孔光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹多孔光纤，多孔纤芯由内部纤芯和外部纤芯组成，所述内部纤芯由十三个六角晶格周期性排列的第一类孔组成，外部纤芯由第一类孔和第二类孔组成的类蜂窝状结构，以及所述类蜂窝状结构外包裹的基质材料组成。本发明使光纤模场在空气孔和材料的界面处产生局域性的增强效应，使大部分能量分布于亚波长的空气孔中，达到多个宽带的低损耗太赫兹波传输的目的。

Description

一种太赫兹多孔光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及传输太赫兹波的光纤。

背景技术

太赫兹波(Terahertz，THz)是指频率位于0.1THz到10THz波段的电磁波。近二十多年以来，低尺度半导体和超快光电子技术的发展为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，THz辐射机制、检测技术和应用技术研究得到快速发展，THz 波具有很多优越的特性和重要的应用价值，已经被广泛应用于物体成像、光谱分析、医疗诊断、材料分析测试、环境检测以及通讯雷达等领域。

迄今，大部分THz 系统都是基于THz 波在自由空间中的传输。这种结构体积庞大，不易集成，易受到外界的干扰，特别是水蒸气的影响，给THz 系统的稳定性以及集成化带来较大的困难，THz 波导器件的发展有望解决这些问题。然而由于金属有限的电导率以及电介质高的吸收系数，造成了传统的微波波段的金属波导和可见及红外波段的电介质光纤都不能用来长距离传输THz 波。要实现宽频带、大容量的远程通信系统，研发一种低损耗的THz 波导也成为首要需解决的技术。近年来，越来越多的国内外课题组进行了低损耗THz 波导的研究，由于空气对THz的吸收近似为零，各种波导设计致力于即能束缚THz波在波导里传输又能将纤芯模能量更多的分布于空气中，设计类型主要有亚波长尺度光纤、空芯光子带隙光纤和多孔光纤等。

亚波长光纤采用亚波长尺寸的实心棒为高折射率纤芯，纤芯周围的空气作为包层，由于光纤横向直径较小，传导模更多的分布于纤芯周围的空气包层里，从而达到降低吸收损耗的目的。这种光纤的主要缺点是大部分传导模能量分布于空气包层中，传输过程易受外界环境影响[S.P. Jamison, et al., “Single-mode waveguide propagation and reshaping of sub-ps terahertz pulses in sapphire fibers,” Appl. Phys. Lett., 2000 76:1987]。空芯光子带隙光纤是一种更优的选择，THz波在空芯中传输，即能实现THz波以低损耗长距离传输，又能有效的免除外界环境的干扰，但其传输带宽受到光纤带隙宽度的限制。[Y. F. Geng, et al., “Transmission loss and dispersion in plastic terahertz photonic band-gap fibers,” Appl. Phys. B, 2008 91: 333]。

多孔光纤可被认为是能与空心光子带隙光纤相比拟的一种低损耗光纤，S. Atakaramians [S. Atakaramians,et al., “Porous fibers: a novel approach to low loss THz waveguides,” Opt. Express，2008, 16(12): 8845]提出的多空光纤以六角晶格排列的亚波长空气孔组成的结构为纤芯，纤芯外空气作为包层，形成全内反射光纤。纤芯基模在空气孔与材料的界面处发生局域性的增强，因为每个界面处的模场强度增强系数为常数，所以模场强度增强的区域依赖于亚波长孔分布的位置，在越靠近光纤纤芯的地方，模场强度越强，因此模场分布呈近高斯分布。由于空气孔所占纤芯比例较大，模场能量大部分分布在空气孔中，从而减少了材料对THz波的吸收。这种光纤即能满足THz波的低损耗的长距离传输又能将大部分模场能量限制在纤芯中，降低了光传输过程中外部环境对其的干扰。光纤空气包层中模场能量所占比值可低于总能量的20%。J.J.Bai[J.J. Bai, et al., “A porous terahertz fiber with randomly distributed air holes” Appl. Phys. B, 2011 103: 381]等人提出了一种任意排列的多孔光纤，相对于六角晶格周期性排列的多孔光纤空气包层中能量所占比值可降低三分之一左右,但这种结构增加了材料损耗。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供一种能实现低损耗、宽带和免受外部干扰的用于太赫兹波传输的折射率引导型多孔光纤。

本发明的技术方案是：多孔纤芯由内部纤芯和外部纤芯组成，所述内部纤芯由十三个六角晶格周期性排列的第一类孔组成，外部纤芯由第一类孔和第二类孔组成的多层类蜂窝状结构，以及所述类蜂窝状结构外包裹的基质材料组成，所述多孔纤芯外是空气包层；所述类蜂窝状结构的每个单元由排布在六角晶格顶点的六个第一类孔和中间的一个第二类孔形成的整体大孔所组成，所述第一类孔和第二类孔之间通过基质材料连接。

所述第一类孔和第二类孔均为小于太赫兹波波长λ的亚波长空气孔，第一类孔的直径为d，第二类空气孔的直径为2Λ+d，其中Λ为内部纤芯孔周期。

为了降低纤芯模能量在空气包层中的分布，光纤要求由第一类孔1和第二类孔2组成的类蜂窝状结构外部纤芯层数N≥２。

本发明的技术效果是：THz多孔光纤是一种全内反射型微结构光纤，周期性排列的亚波长空气孔结构为纤芯，纤芯外为空气包层。模场在空气与材料的界面处发生局域性的增强，因为每个界面处的模场能量增强系数为常数，所以模场能量增强的位置依赖于亚波长孔分布的位置，在越靠近光纤纤芯的地方，模场能量越强，因此模场分布呈近高斯分布。另外模场能量大部分分布于空气孔中，因此能实现THz波的低损耗长距离传输。如果将多孔光纤结构的纤芯分为内部纤芯和外部纤芯，外部纤芯平均折射率小于内部纤芯平均折射率，当波长较短时，模场能量更多的分布于内部纤芯，随着波长的增加模场能量逐渐扩散至外部纤芯，由于外部纤芯的占空比（空气孔占有比例）更大，材料吸收损耗将随之降低，并且模场能量主要分布于纤芯区域，极少扩散至空气包层中。这样设计的优点主要有两点，一是实现多个宽带的低损耗THz波传输；二是将模场能量有效的束缚于纤芯内，减少了外界环境对光纤传输性能的影响。另外光纤仅由一种材料制作而成，因而更易制作，光纤性能也更稳定。

附图说明

图1为光纤结构示意图；

其中：1第一类孔，2第二类孔，3基质材料；

图2为d/Λ=0.75时，模场能量在空气孔、基质材料和空气包层中的比值分别随频率的变化； 

图3为d/Λ=0.85时，模场能量在空气孔、基质材料和空气包层中的比值分别随频率的变化；

图4为d/Λ=0.95时，模场能量在空气孔、基质材料和空气包层中的比值分别随频率的变化；

图5为损耗随频率的变化。

具体实施方式

本发明的太赫兹光纤由多孔纤芯和空气包层组成，光纤纤芯分为内部和外部两部分。内部纤芯由周期性排列的亚波长空气孔组成，外部纤芯由N层改进的类蜂窝型亚波长空气孔组成，纤芯外是空气包层，光纤基于全内反射原理导光。需要说明的是多孔光纤里空气孔都为亚波长孔，第一类孔直径为d，则第二类空气孔直径为2Λ+d，其大小应小于太赫兹波波长λ，从而保证第二类孔为亚波长孔。因为是多孔光纤，纤芯外空气作为包层，多孔光纤纤芯外沿与纤芯内最外层空气孔的绝对距离比较大会引起纤芯模能量在此材料区域大的分布，从而增加了材料吸收损耗，这里要求纤芯直径距离D≤15Λ，但此绝对距离过小，光纤拉制过程中容易变形，为了便于制作，这里要求D≥14Λ。

图1给出了本发明的多孔光纤的横截面示意图，多孔纤芯由内部纤芯和外部纤芯组成，所述内部纤芯由十三个六角晶格周期性排列的第一类孔1组成，外部纤芯由第一类孔1和第二类孔2组成的多层类蜂窝状结构，以及所述类蜂窝状结构外包裹的基质材料3组成，所述多孔纤芯外是空气包层；所述类蜂窝状结构的每个单元由排布在六角晶格上顶点的六个第一类孔1和中间的1个第二类孔2组成的整体大孔，所述第一类孔1和第二类孔2之间通过基质材料3连接。

第一类孔1和第二类孔2内填充空气，折射率为n_air，光纤的基质材料的折射率n，整个光纤纤芯直径为D。

纤芯基模能量在多孔光纤不同区域的比值定义为：

其中, S_z 为z方向的坡印廷矢量，下标x代表三个不同的区域：亚波长空气孔、材料和空气包层。

实施例：

多孔光纤的结构如图1所示，空气折射率n_air=1.0，光纤的基质材料的折射率n=1.59，材料吸收损耗选为130dB/m，内部纤芯孔周期Λ为50μm，光纤多孔纤芯直径为D为14Λ，当d/Λ分别为0.75、0.85和0.95时，基模能量在空气孔、材料和空气包层中的比值分别由图2、图3和图4所示，损耗曲线由图5所示，随着d/Λ的增加，在空气孔和空气包层中基模能量所占比值分别增加，在材料中的比值降低，且THz波有多个宽带低损耗传输窗口，特别当d/Λ为0.95时，最大的传输窗口可大于0.2THz，损耗为0.1dB/cm，满足THz波长距离传输及其在通信中的应用。需要特别提出的是在这些低损耗窗口波长范围内，基模在空气包层中的能量所占的比值接近于0，即使当d/Λ为0.95时，此比值也小于2%，此特点可有效的排除纤芯外环境因素的影响，具有很好的实用价值。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这个实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (2)

1.一种太赫兹多孔光纤，包括多孔纤芯和空气包层，其特征在于，多孔纤芯由内部纤芯和外部纤芯组成，所述内部纤芯由十三个六角晶格周期性排列的第一类孔（1）组成，外部纤芯由第一类孔（1）和第二类孔（2）组成的多层类蜂窝状结构，以及所述类蜂窝状结构外包裹的基质材料（3）组成，所述多孔纤芯外是空气包层；所述类蜂窝状结构的每个单元由排布在六角晶格顶点的六个第一类孔（1）和中间的一个第二类孔（2）形成的整体大孔所组成，所述第一类孔（1）和第二类孔（2）之间通过基质材料（3）连接；所述外部纤芯平均折射率小于内部纤芯平均折射率；所述第一类孔（1）和第二类孔（2）均为小于太赫兹波波长λ的亚波长空气孔，第一类孔（1）的直径为d，第二类空气孔（2）的直径为2Λ+d，其中Λ为内部纤芯孔周期；所述多孔纤芯的直径D的要求为：14Λ≤D≤15Λ。

2.根据权利要求书1所述的一种太赫兹多孔光纤，其特征在于，所述类蜂窝状结构的层数N≥2。