CN109143462A - 一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，包括包层，该包层采用正六角晶格排列的圆形空气孔，包层内部嵌入纤芯，其特征在于，所述纤芯包括横向排列的两个中心空气孔、横向设置的两条空气孔直臂以及纵向设置的四条空气孔螺旋臂。本发明提供的太赫兹光纤在1.6THz到2.7THz频率范围，实现的双折射变化范围为0.039到0.061，且x、y偏振态的限制损耗在1.6THz到2.7THz之间分别低于0.0099dB/cm、0.042dB/cm。

Description

一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹通信与传感技术领域，具体涉及一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，尤其涉及的是一种工作在1.6THz到2.7THz范围的高双折射太赫兹光子晶体光纤。

背景技术

高双折射太赫兹光子晶体光纤是通过改变光子晶体光纤两个偏振方向上空气孔的大小、形状或排列方式，调控光子晶体光纤的折射率分布，从而获得具有高双折射特性的太赫兹光子晶体光纤。太赫兹光子晶体光纤在高双折射方面具有明显优势，可为太赫兹波的传输提供重要技术支持，在成像技术、宽带通信、安全检测、生物医药等方面发挥着重要作用，具有非常高的研究价值和应用前景。

最早的高双折射光子晶体光纤是巴斯大学的Blanch等人报道的偏振保持光子晶体光纤，其通过采用两种不同直径的空气孔，使光纤具有二重旋转对称性，实现的双折射为3.7×10^-3，双折射值明显高于传统的保偏光纤。随后人们开展了大量关于高双折射光子晶体光纤的研究，应用于各个波段。由于太赫兹波在电磁波谱中所处的独特位置，使太赫兹波具有很多优越的特性。当前，获得具有较高双折射、低限制损耗的太赫兹光子晶体光纤已成为重要的研究方向。根据高双折射太赫兹光子晶体光纤设计方法的不同，目前的报道大致可以分为以下三类：(1)光子晶体光纤的包层为各向异性结构。这种设计方法主要通过调节包层晶格的各向异性参数，来提高双折射，以此为基础制作的光子晶体光纤在常用通信波段表现出了明显的高双折射、高非线性、低限制损耗等特性。(2)在纤芯附近的局部包层中引入非对称性，这种设计方法主要通过调节近芯包层的晶格参数实现高双折射，高双折射主要由近芯局部包层的晶格参数决定，包层其余晶格对高双折射的影响较小，通过调节近芯包层的晶格参数，可以实现对光子晶体光纤特性的调控。(3)具有微结构纤芯的光子晶体光纤。由于纤芯晶格对模式特性的影响大于包层晶格，在光子晶体光纤的纤芯引入具有各向异性的微结构晶格，更容易获得高双折射特性，而且可以增大光纤的模场面积。

由于太赫兹波极易被传输介质材料吸收，因此，对于太赫兹波的传输来说，降低其吸收损耗是太赫兹光子晶体光纤的一个研究方向，而微结构纤芯光子晶体光纤在降低损耗，提高传输特性方面具有强大的优势。同时在纤芯中加入空气孔晶格可以有效的降低材料的限制损耗。此外，太赫兹波的波长为30μm-3mm，波长较长，所以太赫兹光子晶体光纤的晶格参数较大，便于加工制作。太赫兹波具有宽带性、低能性、穿透性、抗干扰性等诸多优点，使得太赫兹技术近年来蓬勃发展，高双折射太赫兹光子晶体光纤可广泛应用于太赫兹波产生、传输和探测领域，所以高双折射太赫兹光子晶体光纤非常具有发展前途。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，包括包层，该包层采用正六角晶格排列的圆形空气孔，包层内部嵌入纤芯，其特征在于，所述纤芯包括横向排列的两个中心空气孔、横向设置的两条空气孔直臂以及纵向设置的四条空气孔螺旋臂。

进一步地，所述中心空气孔设置在纤芯的中心位置，沿所述中心空气孔设置有螺旋弧度不同的空气孔直臂和空气孔螺旋臂。

进一步地，所述圆形空气孔的半径为R，间距为Λ。

进一步地，Λ＝95μm、R＝45.42μm。

进一步地，所述中心两个空气孔的半径为r0，间距为Λ₀。

进一步地，所述空气孔直臂和空气孔螺旋臂的半径由中心向外依次为r₁、r₂、r₃、r₄，空气孔直臂中相同半径的空气孔一间距为Λ₁、Λ₂、Λ₃、Λ₄，空气孔螺旋臂的空气孔二分别沿A、B、C、D四点为极坐标原点的螺旋线排列，且A、B两点的距离与C、D两点的距离相等为L₁，A、C两点的距离与B、D两点的距离相等为L₂，空气孔螺旋臂中半径为r₁、r₂、r₃、r₄的空气孔分别以极半径ρ、2ρ、3ρ、4ρ，等夹角θ排列，各参数满足如下关系：

r₀＝1.5r₁ (1)

r_n＝r_n-1+1......(n＝2,3,4) (2)

L₁＝4ρ+3 (4)

L₂＝2ρcos30° (5)。

进一步地，Λ₀＝9.6μm、r₁＝2.34μm、ρ＝7.61μm、θ＝32°。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的太赫兹光纤在1.6THz到2.7THz频率范围，实现的双折射变化范围为0.039到0.061，且x、y偏振态的限制损耗在1.6THz到2.7THz之间分别低于0.0099dB/cm、0.042dB/cm。

本发明针对太赫兹通信与传感应用背景，提供一种基于蜣螂形纤芯的高双折射太赫兹光子晶体光纤设计方法。在1.6THz到2.7THz频率范围实现了高双折射和低限制损耗，为偏振要求较高的太赫兹系统提供了一种低损耗、高双折射传输介质，在未来太赫兹通信、传感与成像等领域具有重要的实用价值。

附图说明

图1(a)和图1(b)为光子晶体光纤的端面结构；

图2-图7为不同光纤结构参数下，双折射随频率的变化曲线；

图8-图13为不同光纤结构参数下，限制损耗随频率的变化曲线；

图14为两个偏振态在1.6THz和2.7THz时的模式分布。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1至图2，一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，该光纤包层采用正六角晶格排列的圆形空气孔，包层内部嵌入纤芯，其特征在于，所述纤芯包括横向排列的两个中心空气孔、横向设置的两条空气孔直臂以及纵向设置的四条空气孔螺旋臂。

所述中心空气孔设置在纤芯的中心位置，沿所述中心空气孔设置有螺旋弧度不同的空气孔直臂和空气孔螺旋臂。

所述圆形空气孔的半径为R，间距为Λ，Λ＝95μm、R＝45.42μm。

所述中心两个空气孔的半径为r₀，间距为Λ₀。

所述空气孔直臂和空气孔螺旋臂的半径由中心向外依次为r₁、r₂、r₃、r₄，空气孔直臂中相同半径的空气孔一间距为Λ₁、Λ₂、Λ₃、Λ₄，空气孔螺旋臂的空气孔二分别沿A、B、C、D四点为极坐标原点的螺旋线排列，且A、B两点的距离与C、D两点的距离相等为L₁，A、C两点的距离与B、D两点的距离相等为L₂，空气孔螺旋臂中半径为r₁、r₂、r₃、r₄的空气孔分别以极半径ρ、2ρ、3ρ、4ρ，等夹角θ排列，各参数满足如下关系：

r₀＝1.5r₁ (1)

r_n＝r_n-1+1......(n＝2,3,4) (2)

L₁＝4ρ+3 (4)

L₂＝2ρcos30° (5)。

Λ₀＝9.6μm、r₁＝2.34μm、ρ＝7.61μm、θ＝32°。

由于太赫兹光子晶体光纤的包层采用典型正六角晶格排列的空气孔，纤芯由多个微型空气孔组成，包括中心的两个空气孔、横向两条空气孔直臂和纵向四条空气孔螺旋臂组成。不仅包层结构打破了光纤横截面的对称性，而且纤芯独立空气孔横向排列，空气孔臂横向与纵向的螺旋弧度不同，打破了纤芯对称性，提高了太赫兹光纤的双折射。另外，Topas环烯烃共聚物对太赫兹波具有较低的材料吸收，且微结构纤芯降低了对太赫兹波的材料吸收。对于优化的结构参数：Λ₀＝9.6μm、r₁＝2.34μm、ρ＝7.61μm、θ＝32°、Λ＝95μm、R＝45.42μm，在1.6THz到2.7THz频率之间双折射的变化范围为0.039到0.061，且x、y偏振态的限制损耗在1.6THz到2.7THz频率之间分别低于0.0099dB/cm、0.042dB/cm。

图2-图7分别是当选取不同光纤结构参数时，光纤双折射随频率的变化曲线。其中，图2中，分别计算了当光纤结构参数设置为Λ₀＝8.8μm、Λ₀＝9.6μm、Λ₀＝10.4μm、Λ₀＝11.2μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取Λ₀＝9.6μm时，双折射数值最大。

图3中，分别计算了当光纤结构参数设置为r₁＝2.3μm、r₁＝2.32μm、r₁＝2.34μm、r₁＝2.36μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取r₁＝2.34μm时，双折射数值最大。

图4中，分别计算了当光纤结构参数设置为ρ＝7.46μm、ρ＝7.51μm、ρ＝7.56μm、ρ＝7.61μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取ρ＝7.61μm时，双折射数值最大。

图5中，分别计算了当光纤结构参数设置为θ＝32°、θ＝37°、θ＝42°、、θ＝47°时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取θ＝32°时，双折射数值最大。

图6中，分别计算了当光纤结构参数设置为Λ＝95μm、Λ＝98μm、Λ＝101μm、Λ＝104μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取Λ＝95μm时，双折射数值最大。

图7中，分别计算了当光纤结构参数设置为R＝42.42μm、R＝43.42μm、R＝44.42μm、R＝45.42μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取R＝45.42μm时，双折射数值最大。

图8-图13为不同光纤结构参数时限制损耗随频率的变化曲线。

其中，图8中，分别计算了当光纤结构参数设置为Λ₀＝8.8μm、Λ₀＝9.6μm、Λ₀＝10.4μm、Λ₀＝11.2μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取Λ₀＝9.6μm时，TE模限制损耗最小，选取Λ₀＝11.2μm时，TM模限制损耗最小。

图9中，分别计算了当光纤结构参数设置为r₁＝2.3μm、r₁＝2.32μm、r₁＝2.34μm、r₁＝2.36μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取r₁＝2.32μm时，TE模限制损耗最小；选取r₁＝2.3μm时，TM模限制损耗最小。

图10中，分别计算了当光纤结构参数设置为ρ＝7.46μm、ρ＝7.51μm、ρ＝7.56μm、ρ＝7.61μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取ρ＝7.61μm时，TE模和TM模限制损耗均最小。

图11中，分别计算了当光纤结构参数设置为θ＝32°、θ＝37°、θ＝42°、θ＝47°时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取θ＝32°时，TE模限制损耗最小；选取θ＝47°时，TM模限制损耗最小。

图12中，分别计算了当光纤结构参数设置为Λ＝95μm、Λ＝98μm、Λ＝101μm、Λ＝104μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取Λ＝104μm时，TE模限制损耗最小；选取Λ＝95μm时，TM模限制损耗最小。

图13中，分别计算了当光纤结构参数设置为R＝42.42μm、R＝43.42μm、R＝44.42μm、R＝45.42μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取R＝45.42μm时，TE模限制损耗最小；选取R＝44.42μm时，TM模限制损耗最小。

综合考虑双折射与限制损耗的关系，结论是，因此我们选择最佳的一组光纤结构参数为：Λ₀＝9.6μm、r₁＝2.34μm、ρ＝7.61μm、θ＝32°、Λ＝95μm、R＝45.42μm。

图14为当光纤结构选取为上述最优光纤结构参数时，两偏振态在1.6THz与2.7THz处的模场分布。其中，图14为(a)为1.6THz处TE模场分布；图14为(b)为2.7THz处TE模场分布；图14为(c)为1.6THz处TM模场分布；图14为(d)为2.7THz处TM模场分布。结果表明，所设计的光纤在这两个频率处均可以工作。

以上对本发明实施例所公开的技术方案进行了详细介绍，本文中应用具体实施例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，包括包层，该包层采用正六角晶格排列的圆形空气孔，包层内部嵌入纤芯，其特征在于，所述纤芯包括横向排列的两个中心空气孔、横向设置的两条空气孔直臂以及纵向设置的四条空气孔螺旋臂。

2.根据权利要求1所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，所述中心空气孔设置在纤芯的中心位置，沿所述中心空气孔设置有螺旋弧度不同的空气孔直臂和空气孔螺旋臂。

3.根据权利要求1所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，所述圆形空气孔的半径为R，间距为Λ。

4.根据权利要求3所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，Λ＝95μm、R＝45.42μm。

5.根据权利要求1所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，所述中心两个空气孔的半径为r₀，间距为Λ₀。

6.根据权利要求1所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，所述空气孔直臂和空气孔螺旋臂的半径由中心向外依次为r₁、r₂、r₃、r₄，空气孔直臂中相同半径的空气孔一间距为Λ₁、Λ₂、Λ₃、Λ₄，空气孔螺旋臂的空气孔二分别沿A、B、C、D四点为极坐标原点的螺旋线排列，且A、B两点的距离与C、D两点的距离相等为L₁，A、C两点的距离与B、D两点的距离相等为L₂，空气孔螺旋臂中半径为r₁、r₂、r₃、r₄的空气孔分别以极半径ρ、2ρ、3ρ、4ρ，等夹角θ排列，各参数满足如下关系：

r₀＝1.5r₁ (1)

r_n＝r_n-1+1......(n＝2,3,4) (2)

L₁＝4ρ+3 (4)

L₂＝2ρcos30° (5)

7.根据权利要求5所述的高双折射蜣螂形纤芯光子晶体光纤，其特征在于，Λ₀＝9.6μm、r₁＝2.34μm、ρ＝7.61μm、θ＝32°。