CN103645534A

CN103645534A - 一种太赫兹光纤

Info

Publication number: CN103645534A
Application number: CN201310667058.7A
Authority: CN
Inventors: 祝远锋; 陈明阳; 张永康; 杨继昌; 李悦; 李倩倩; 杨丽
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开一种太赫兹光纤，光纤包括纤芯和包层，周期性分布的层状介质1和空气层2交替排布于横向，在纵向排布相同的结构，并通过外侧的介质圆管3组成稳定结构。正交部分作为光纤的纤芯，正交部分以外的层状介质1、空气层2、外侧的介质圆管3和四个大的空气孔4为光纤包层，整体呈全内反射结构。此结构可将纤芯基模有效的束缚于多孔的纤芯中，传导模能量主要分布在空气中，减小了材料吸收损耗，达到宽带低损耗THz波传输的目的，另外传导模不受光纤外部环境变化的影响，便于实际应用。

Description

一种太赫兹光纤

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( Terahertz, THz) 通常是指频率在0. 1~ 10 THz范围内的电磁波, 其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz 辐射在很多领域,如通信、传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力。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，从而有效的降低材料吸收损耗, 例如亚波长光纤，多孔光纤和空心光纤。

亚波长光纤[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]采用亚波长尺寸的实心棒为高折射率纤芯，光纤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. 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。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，从而减少了材料对光的吸收。虽然此光纤能将大部分模场能量限制在纤芯中，但对光纤的任何接触仍会严重影响纤芯模传输。Daru Chen [Daru Chen and Haibin Chen, “A novel low-loss Terahertz waveguide: Polymer tube,” Opt. Express, 18, 3762-3767 (2010)] 提出了介质管光纤，它以薄的低吸收损耗的介质圆环作为光纤包层，圆环内圆形空气区域为纤芯，THz波被有效的限制在空心的纤芯中，从而实现低吸收损耗，同样的问题是这种光纤不便于接触，其外表接触环境的变化对THz波传输有比较大的影响。

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，一般传输带宽不是很宽。[Y. F. Geng, et al., “Transmission loss and dispersion in plastic terahertz photonic band-gap fibers,” Appl. Phys. B, 2008 91: 333] 。

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折射率引导型太赫兹波微结构光纤。

本发明的技术方案是：一种太赫兹光纤，包括纤芯和包层，由周期性排布的层状介质和空气层交替排布在x方向，在y方向排布相同的结构，并通过外侧的介质圆管组成稳定结构。正交部分作为光纤的纤芯，正交部分以外的层状介质、空气层、四个大的空气孔和外侧的介质圆管作为光纤包层，整体呈全内反射结构。

为方便描述，做如下表示：层状介质排布周期为Λ，宽度为d，介质圆管内直径为D，厚度为D₁。在纵向和横向纤芯外侧距离介质圆管内壁的距离均为M，在x和y方向排布的层状介质条数均为N。

本发明的技术效果是：纤芯是有周期排列的层状介质正交排布组成，纤芯空气填充因子可表示为f₁=(Λ-d)²/Λ²，剩余的层状介质区域的空气填充因子为f₂=(Λ-d)/Λ, f₁<f₂。因此，纤芯区的等效折射率大于层状介质区域的等效折射率。同时，由于层状介质区域外还有空气区，其折射率为1，也远低于纤芯区的等效折射率。这样，纤芯区折射率大于包层区折射率，可实现基于折射率引导型光传输。纤芯传导模可有效的被束缚在纤芯中，当纤芯距离圆管内壁足够远时，太赫兹波将集中在圆管内区域传输，光纤外环境的变化对THz波在光纤的传输不产生影响，便于在实际中的应用，同时因为纤芯是多孔的，纤芯模能量可更多的分布于空气孔中，有效的降低了吸收损耗，可实现THz波长距离的传输。另外较厚的介质圆管用于稳定光纤结构，便于光纤制作。

纤芯宽度为D₂=((N-1) *Λ+d)。在纵向和横向纤芯外侧距离介质圆管内壁的距离均为M=C* D₂，其中C为常数。纤芯距离介质圆管内壁的距离为M 不能过小，因为M过小，纤芯基模能量会被引导分布于介质圆管，增加限制损耗，纤芯基模不能有效的被限制在纤芯中，这里要求C≥1.9。

附图说明

图1为本发明的光纤结构示意图；

图2为图1实施例的纤芯基模能量有效折射率随周期的变化曲线图；

图3为图1实施例的纤芯基模能量的材料损耗和限制损耗分别随周期的变化曲线图；

图4为图1实施例的纤芯基模能量在介质和空气中的比值分别随频率的变化曲线图；

图5为图1实施例的纤芯基模能量的材料损耗和限制损耗分别随频率的变化曲线图；

图6为图1实施例的基模电场场强的径向空间分布图；

图7为图1实施例的基模电场场强分布图；

其中：1. 层状介质，2.空气层，3.介质圆管，4.空气孔。

具体实施方式

图1给出了本发明的THz光纤的横截面示意图，光纤包括纤芯和包层，由周期性排布的层状介质1和空气层2交替排布与x方向，在y方向排布相同的结构，并通过外侧的介质圆管3组成稳定结构。正交部分作为光纤的纤芯，正交部分以外的层状介质1、空气层2、四个大的空气孔4和外侧的介质圆管3作为光纤包层，整体呈全内反射结构。此处x代表横向，y代表纵向。

空气孔内填充空气，折射率为n_air，光纤的基质材料的折射率n。

纤芯基模能量在多孔光纤不同区域的比值定义为：

Figure 2013106670587100002DEST_PATH_IMAGE002

其中, Sz 为z方向的坡印廷矢量，下标x代表两个不同的区域：空气孔和材料。

实施例一：

多孔纤芯光纤的结构如图1所示，空气折射率n_air=1.0，光纤的基质材料选为聚四氟乙烯，其折射率n=1.5，材料吸收损耗选为130dB/m，层状的聚四氟乙烯宽度d=20μm，聚四氟乙烯圆管内直径为D=1400μm，聚四氟乙烯圆管厚度为D₁=200μm，基模有效折射率随周期的变化如图2所示，随着周期Λ的增大，纤芯基模有效折射率降低，原因是层状的聚四氟乙烯宽度d不变时，周期Λ增大，纤芯空气填充因子f₁降低，空气层中基模能量增加，基模有效折射率降低，同时材料吸收损耗减小。更重要的是有效折射率的降低并没引起限制损耗的增加，从如图3可以看出，随着周期Λ的增大，限制损耗变化不大，纤芯基模被有效的限制在纤芯中。这样一方面纤芯基模能量主要分布在空气中，避免更多的材料吸收损耗，另一方面纤芯基模被效的限制在纤芯中，外界环境的变化对纤芯基模的传输不产生任何影响。

虽然层状的聚四氟乙烯宽度不变时，周期增加可降低材料吸收损耗，但周期增加会使纤芯中的空气孔尺寸增加，当纤芯中的空气孔尺寸可与传输波长相比拟的时候，基模模式分布会在空气孔处出现深的凹槽，不利于与普通高斯光源耦合，因此这里要求层状的聚四氟乙烯排布周期为Λ≤160μm。

层状的聚四氟乙烯排布周期Λ=80μm，层状的聚四氟乙烯宽度d=20μm，基模能量在材料和空气层中的比值随频率的变化如图4所示，随着频率的增加，基模能量在空气层中的比例降低，在材料层中的比例升高，但变化不大。从图5可以看出，从0.6-1.6THz范围内，吸收损耗最高为0.525dB/cm，限制损耗只有在低频处有略微的增加。在0.7至1.5THz范围内，总损耗都低于0.55dB/cm，因此能实现宽带THz波的低损耗传输，满足THz波的长距离传输及其在通信中的应用。

层状的聚四氟乙烯排布周期Λ为80μm，层状的聚四氟乙烯宽度d=20μm，频率为1THz时电场场强在x方向的分布如图6所示，从图形可看出电场场强分布为类高斯型，易于与普通高斯光源耦合。基模的二维模场分布如图7所示，从图中可以看出纤芯基模被有效的限制在纤芯中传输，光纤周围环境的变化不会干扰THz波在纤芯中的传输，而多孔光纤的纤芯基模总有部分能量在其空气包层中传输，容易受外界环境变化的影响，因此此光纤在免受外界环境影响方面优于多孔光纤。

另外，如聚四氟乙烯排布周期为Λ不变，层状的聚四氟乙烯宽度减小可降低纤芯空气填充因子f₁，从而达到减小材料吸收损耗的目的，但是层状的聚四氟乙烯宽度过窄会增加制作难度，因此这里要求层状的聚四氟乙烯宽度d≥10μm。

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

1. 一种太赫兹光纤，包括层状介质（1）、和介质圆管（3），其特征在于，所述层状介质（1）分别以纵向和横向等间隔的排布在介质圆管（3）内，且横向和纵线排布的层状介质（1）在介质圆管（3）中心形成正交结构，所述正交结构与所述介质圆管（3）形成四个大的空气孔（4）；所述层状介质（1）固定于介质圆管（3）上；所述正交结构部分的层状介质（1）和空气层（2）为纤芯，所述正交结构以外的层状介质（1）、空气层（2）和介质圆管（3）和空气孔（4）为包层。

2. 根据权利要求书1所述的一种太赫兹光纤，其特征在于：所述的在横向和纵向方向排布的层状介质条数均为N，层状介质宽度均为d，则纤芯宽度为D₂=((N-1) *Λ+d)，在纵向和横向纤芯外侧距离介质圆管（3）内壁的距离均为M=C* D₂，这里要求C≥1.9。

3. 根据权利要求书1所述的一种太赫兹光纤，其特征在于：所述的层状介质宽度d≥10μm。

4. 根据权利要求书1所述的一种太赫兹光纤，其特征在于：所述的介质层排布为周期排布，两介质层间距为排布周期Λ满足：Λ≤160μm。

5.根据权利要求书1所述的一种太赫兹光纤，其特征在于：所述层状介质在横向和纵向数量相同。