CN103149714A - 一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关 - Google Patents

Abstract

一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关。包括包层和纤芯，所述包层采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶层的两端用高阻硅封口，使液晶E7处于封闭腔内，中空的纤芯中放置铜丝，包层外周设置有螺线管。当螺线管中有电流通过时，产生与光纤对称轴平行的磁场，液晶取向变为平行于光纤对称轴，太赫兹波在液晶E7中是e光，此时液晶E7的折射率与高密度聚乙烯相差较大，布拉格光纤的衍射损耗较小，开关处于开状态。因此，本发明太赫兹开关在传输的波导或光纤上直接实现开关功能，控制太赫兹波不存在耦合损耗，且易于和光纤耦合，有极高的消光比。大孔径的布拉格光纤制作工艺相对简单且在其内灌注液晶比较容易。

Description

一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关

（一）技术领域

本发明涉及一种液晶调制开关领域，特别是一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关。

（二）技术背景

太赫兹波是指频率在0.1THZ到10THZ之间、波长在0.03mm-3mm之间的电磁波。它在长波段与毫米波重叠，短波段与红外线有重叠。THZ波所处的特殊位置使THZ技术成为连接电子学和光子学的桥梁，具有非常重要的学术和应用价值。由于太赫兹波在空间的耦合损耗很大，所以以开关为基础的太赫兹器件是太赫兹波能否广泛应用的关键。

低折射率的纤芯被折射率周期性变化的包层所围绕的光纤都可以称作布拉格光纤。纤芯不使用介质的结构称为中空布拉格光纤。与其他传输太赫兹波的手段相比，如塑料光子晶体光纤、光子晶体波导、亚波长光纤、金属线，中空布拉格光纤的损耗是最小。并且通过改变布拉格光纤纤芯、包层的折射率可以灵活的改变布拉格光纤的传输特性。

普通的光纤的材料为石英，而石英在太赫兹波传输中的损耗很大，所以普通的光纤难以作为太赫兹波导。后来人们研制出了作为太赫兹波导的聚四氟乙烯塑料光纤，将布拉格光纤拓展到了太赫兹波段。又相继出现了用高浓度聚乙烯所制作的塑料布拉格光纤，用于太赫兹波段表现出了低损耗和相对低色散的特性。用于太赫兹波的布拉格光纤的结构参数在mm量级，相对于可见光或者红外波段的光子晶体光纤更容易制备。

光子晶体对太赫兹开关可以比较有效的控制太赫兹波的传输。然而，这些功能性器件都有一个共同的缺点：无论是对自由空间的太赫兹波，还是对波导或光纤中的太赫兹波实现开关控制都需要将太赫兹波耦合进开关，而耦合的过程，必然会带来较大的损耗，例如将太赫兹波耦合进光子晶体的损耗为1.2-5.8dB。

（三）发明内容

本发明目的是解决现有布拉格光纤太赫兹波开关存在较大损耗的问题，提供一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关。本发明太赫兹开关可在用于传输的波导或光纤上直接实现开关功能，用它控制太赫兹波不存在耦合损耗。

本发明提供的磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关包括包层和纤芯，所述包层采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶层的两端用高阻硅封口，使液晶E7处于封闭腔内，中空的纤芯中放置铜丝，包层外周设置有螺线管。

本发明布拉格光纤开关中所述包层包括12组交替排列的高密度聚乙烯和向列向液晶E7。所述太赫兹开关工作于1THz,开关的结构参数是:长度为10cm，纤芯半径为1548μm；高密度聚乙烯在太赫兹波段折射率为nH=1.5,每层厚度为2113μm；对于1THz的太赫兹波,液晶E7的折射率为n0=1.57和ne=1.76，每层液晶的厚度4016μm。高阻硅在太赫兹波段的折射率为3.418。

所述中空纤芯中放置的铜丝半径为280μm，铜丝的电导率取σ=51998×107SΠm。

本发明的工作机理：

在未加磁场时，由于每层高密度聚乙烯的内外表面已经过表面锚泊处理，液晶取向平行于高密度聚乙烯表面，垂直于光纤对称轴，太赫兹波在E7中传输为o光，此时折射率与高密度聚乙烯相差较小，中空布拉格光纤的衍射损耗较大，开关处于关状态。

当螺线管中有电流通过时，产生与光纤对称轴平行的磁场，液晶取向变为平行于光纤对称轴，太赫兹波在液晶E7中是e光，此时液晶E7的折射率与高密度聚乙烯相差较大，布拉格光纤的衍射损耗较小，开关处于开状态。

铜丝用于选择单模传输。外加磁场通过螺线管产生，方向与光纤对称轴平行。

本发明的优点和有益效果：

1）传输的波导或光纤上直接实现开关功能，控制太赫兹波不存在耦合损耗。

2）最主要优点是易于和光纤耦合，有极高的消光比。

3）大孔径的布拉格光纤制作工艺相对简单且在其内灌注液晶比较容易。

（四）附图说明

图1是布拉格光纤太赫兹开关截面示意图。

图2是图2的俯视图。

图3是未加磁场时液晶的取向（线段表示液晶取向）示意图。

图4是加与光纤对称轴平行的磁场时液晶的取向（线段表示液晶取向）示意图。

图中：1.高密度聚乙烯、2.液晶E7、3.铜丝、4.高阻硅、5螺线管。

（五）具体实施方式

以下将通过实施例详细描述本发明所提供的磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关。但本领域的技术人员应该认识到，在权利要求的范围内，可以做出形式上和细节上的多种变型。因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。

实施例1

如图1至图2所示，磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关，包括包层和纤芯，所述包层采用高密度聚乙烯(HDPE)1和向列相液晶E7（图中标号2所示）交替排列，在填充液晶层的两端用高阻硅4封口，使液晶E7处于封闭腔内，中空的纤芯中放置铜丝3，包层外周设置有螺线管5。

包层采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，本例的布拉格光纤开关采用12个周期,即13层高密度聚乙烯夹着12层液晶E7。高密度聚乙烯在太赫兹波段折射率为nH= 1.5,每层厚度为2113μm；对于1 THz的太赫兹波, 液晶E7的折射率为n0=1.57和ne=1.76，每层液晶的厚度4016μm。高阻硅在太赫兹波段的折射率为3.418。

纤芯半径为1548μm ；中间为一根半径为280μm的铜丝，铜丝的电导率取σ=51998×107SΠm。

布拉格光纤的模式分类与模场分布与普通光纤相似，因此,可以利用普通多模光纤的模式理论通过观察光纤内电磁场的强度和方向分布来判断布拉格光纤的传输模式。布拉格光纤中,基模是TE₀₁,而普通光纤中基模是HE₁₁，这是布拉格光纤与普通光纤的主要差别。

中空布拉格光纤的损耗主要来源于衍射损耗，包层周期变化的折射率,n1和n2相差越大，光纤的损耗越小。利用矩阵的方法计算表明，电场强度的每经过一个折射率变化周期减少为原来的k1/k2，其中

k_i＝[(ω/c)²ε_iμ_i-β²]^1/2，i＝1，２，

其中β为传播常数,ε_i为介质的介电常数。因此包层两种介质的介电常数相差越大,即折射率差越大，包层能流的泄漏就越小，光纤的损耗也就越小。由于采用有限元法得出的是有效折射率虚部，需要换算成损耗。

如图3所示，在未加磁场时，由于每层高密度聚乙烯的内外表面已经过表面锚泊处理，液晶取向平行于高密度聚乙烯表面，垂直于光纤对称轴。加与光纤对称轴平行的磁场时（如图4所示），液晶取向发生变化，当磁场达到一定强度时，此时光轴也与光纤对称轴平行。对于TE₀₁模，只存在E_θ，不加磁场时，偏振方向(E_θ)与主平面平行，液晶中的TE₀₁模相当于e光，ne=1.76,此时折射率差较大，光纤的损耗较小，为开的状态。

加磁场时，液晶中的TE₀₁模传播方向平行于光轴，取o光折射率o=1.57,与nH相差较小,k1/k2较小,光纤的损耗较大,开关是关状态。对于TE₀₁模,存在两个分量Er和E_Z，不加磁场时,偏振方向(Er)与主平面垂直,液晶中的TM₀₁波相当于o光;加磁场时,液晶中的TM₀₁波传播方向平行于光轴，也相当于o光，所以，对于TM₀₁模，此开关总是关的状态。

事实上，TM模在中空布拉格光纤中是损耗最大的模式，因此TM在传输过程中就已经损耗掉。

对于HE₁₁模，由于太赫兹波段相对微波波段频率较高，趋肤效应更加强列，太赫兹波仅能在铜丝表面很薄的一层内存在，而HE₁₁模的场分布集中在光纤中心，这就使得铜丝能完全破坏HE₁₁模的场分布。由于TE₀₁模和TM₀₁模的模场分布呈环状光纤中心场强几乎为零，因此这根铜丝并不会影响TE₀₁模和TM₀₁模的场分布对于更高阶模，即使有相对较大的折射率差(0.3左右),损耗也很大，所以也都不能通过开关。因此，本发明不仅有控制太赫兹波通过与否的功能，还能够选择基模传输。

Claims (5)

1.一种磁场可调的布拉格光纤太赫兹开关，包括包层和纤芯，其特征在于所述包层采用高密度聚乙烯和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶层的两端用高阻硅封口，使液晶E7处于封闭腔内，中空的纤芯中放置铜丝，包层外周设置螺线管。

2.根据权利要求1所述的太赫兹开关，其特征在于所述包层包括12组交替排列的高密度聚乙烯和向列向液晶E7。

3.根据权利要求2所述的太赫兹开关，其特征在于所述太赫兹开关工作于1THz,开关的结构参数是:长度为10cm，纤芯半径为1548μm；包层中每层高密度聚乙烯在太赫兹波段折射率为nH=1.5，厚度为2113μm；对于1THz的太赫兹波,每层液晶E7的折射率为n0=1.57和ne=1.76，液晶的厚度4016μm。

4.根据权利要求1、2或3所述的太赫兹开关，其特征在于所述中空纤芯中放置的铜丝半径为280μm，铜丝的电导率取σ=51998×107S/m。

5.根据权利要求1、2或3所述的太赫兹开关，其特征在于所述高阻硅在太赫兹波段的折射率为3.418。

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