CN111736256A - 一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤 - Google Patents

一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种2‑5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，属于光纤通信技术领域。该太赫兹光纤包括：包层和纤芯；包层和纤芯设置在基底材料内；纤芯包括：中心内层和外层；中心内层为6个圆形空气孔围成的正六边形区域；外层为36个圆形空气孔组成，以每6个圆形空气孔为基本单元，围成6个正六边形区域；在本发明中，纤芯由多个微型空气孔组成，包括中心内层的1个正六边形单元空气孔芯和外层的6个正六边形单元组成的纤芯微结构，以中心内层为中心，外层的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；这样，由于纤芯结构的不对称排列，打破了纤芯结构的对称性，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，又降低了吸收损耗。

Description

一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤。
背景技术
高双折射太赫兹光纤是通过改变光纤两个偏振方向上空气孔的大小、形状或排列方式，调控光纤的折射率分布，从而获得具有高双折射特性的一种光纤。高双折射太赫兹光纤可为太赫兹波的保偏传输提供重要支持，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。最早的高双折射光纤是巴斯大学的Blanch等人报道的偏振保持光纤，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，实现的双折射值为3.7×10-3。随后人们开展了大量关于高双折射光纤的研究，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，太赫兹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纤非常具有发展前途。
目前的报道大致可以分为：(1)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。(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纤芯包层的晶格参数实现高双折射。对于太赫兹波的传输来说，降低其吸收损耗和提高双折射具有重要的工程实用价值。但是，现有技术中的太赫兹光纤的双折射和吸收损耗都不太理想。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤。所述太赫兹光纤包括：包层和纤芯；所述纤芯包括：中心内层和外层；所述包层和所述纤芯设置在基底材料内；所述中心内层为6个圆形空气孔围成的正六边形区域；所述外层为36个圆形空气孔组成，以每6个圆形空气孔为基本单元，围成6个正六边形区域；以所述中心内层为中心，所述外层的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；所述纤芯嵌入所述包层内部。
进一步地，所述包层是由六层正六角晶格排列的圆形空气孔构成；最内层由六个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成。
进一步地，组成所述包层的圆形空气孔的半径R为45μm～49μm。
进一步地，组成所述包层的相邻两个圆形空气孔之间的距离∧为100μm～104μm。
进一步地，组成所述纤芯的圆形空气孔的半径r为1μm～3μm。
进一步地，组成所述纤芯的相邻两个圆形空气孔的距离为A，
Figure BDA0002598629870000021
L为13μm～15μm。
进一步地，组成所述纤芯的相邻两个正六边形区域的距离d为27μm～31μm。
进一步地，所述基底材料为环烯烃共聚物COC。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在本发明中，纤芯由多个微型空气孔组成，包括中心内层的1个正六边形单元空气孔芯和外层的6个正六边形单元组成的纤芯微结构，以中心内层为中心，外层的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；这样，由于纤芯结构的不对称排列，打破了纤芯结构的对称性，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，又降低了吸收损耗。其次，在本发明中，太赫兹光纤的包层采用典型正六角晶格排列的空气孔，包层结构也打破了光纤横截面的对称性，与不对称排列的纤芯结构结合，进一步提高太赫兹光纤的双折射和降低吸收损耗。另外，本发明提供的太赫兹光纤在2THz到5THz频率范围内，实现双折射变化范围为0.077到0.0965，在工作频率为3.5THz时，得到0.0965的超高双折射，10-13dB/cm的超低限制损耗和小于1cm-1的有效材料损耗；所提出的结构在2.25～5THz的频率范围内表现出±0.2ps/THz/cm的极低的近零平坦波导色散。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤的横截面结构示意图；
图2是本发明提供的为不同光纤结构参数下，双折射随频率的变化曲线图；
图3是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤限制损耗随频率的变化曲线图；
图4是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤在1.3-5THz的波导色散曲线图；
图5是本发明提供的TE和TM两个偏振态在1.3THz、3THz和5THz时的模场分布图。
附图标记：1-包层；2-纤芯；3-基底材料；4-中心内层；5-外层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例目的，不是旨在于限定本发明。
图1是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤的横截面结构示意图，参见图1，该太赫兹光纤包括：包层1和纤芯2；包层1和纤芯2设置在基底材料3内；纤芯2包括：中心内层4和外层5；中心内层4为6个圆形空气孔围成的正六边形区域；外层5为36个圆形空气孔组成，以每6个圆形空气孔为基本单元，围成6个正六边形区域；以中心内层4为中心，外层5的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；纤芯2嵌入包层1内部。
需要说明的是，由于纤芯晶格对光波导模式特性的影响大于包层晶格，在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。因此，在本发明中，纤芯由多个微型空气孔组成，包括中心内层的1个正六边形单元空气孔芯和外层的6个正六边形单元组成的纤芯微结构，以中心内层为中心，外层的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；这样，由于纤芯结构的不对称排列，打破了纤芯结构的对称性，且微结构纤芯降低了对太赫兹波的吸收损耗，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，又降低了吸收损耗。
进一步地，包层1是由六层正六角晶格排列的圆形空气孔构成；最内层由六个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成。
需要说明的是，将包层1采用典型正六角晶格排列的空气孔，考虑到光纤双折射、限制损耗特性与制作难度，将包层数确定为6层。这样，包层结构也打破了光纤横截面的对称性，包层结构与纤芯微结构结合，从而进一步提高了太赫兹光纤的双折射并降低吸收损耗。
进一步地，组成包层1的圆形空气孔的半径R为45μm～49μm。
需要说明的是，图2是本发明提供的为不同光纤结构参数下，双折射随频率的变化曲线图。参见图2(d)，分别计算了组成包层1的圆形空气孔的半径R＝45μm，R＝46μm，R＝47μm，R＝48μm，R＝49μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取R＝49μm时，双折射数值最大。
进一步地，组成包层1的相邻两个圆形空气孔之间的距离∧为100μm～104μm。
需要说明的是，参见图2(e)，分别计算了当组成包层1的相邻两个圆形空气孔之间的距离Λ＝100μm，Λ＝101μm，Λ＝102μm，Λ＝103μm，Λ＝104μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取∧＝100μm时，双折射数值最大。∧为包层1的相邻两个圆形空气孔圆心到圆心的距离。
进一步地，组成纤芯2的圆形空气孔的半径r为1μm～3μm。
需要说明的是，参见图2(a)，分别计算了当组成纤芯2的圆形空气孔的半径为r＝1μm，r＝1.5μm，r＝2μm，r＝2.5μm，r＝3μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取r＝2μm时，双折射数值最大。
进一步地，组成纤芯2的相邻两个圆形空气孔的距离为A，
Figure BDA0002598629870000052
L为13μm～15μm。
需要说明的是，参见图2(b)，分别计算了当L＝13μm，L＝13.5μm，L＝14μm，L＝14.5μm，L＝15μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取L＝14.5μm时，双折射数值最大。因此，组成纤芯2的相邻两个圆形空气孔的距离为
Figure BDA0002598629870000051
双折射数值最大。A为组成纤芯2的相邻两个圆形空气孔圆心到圆心的距离。
进一步地，组成纤芯2的相邻两个正六边形区域的距离d为27μm～31μm。
需要说明的是，参见图2(c)，分别计算了当组成纤芯2的相邻两个正六边形区域的距离为d＝27μm，d＝28μm，d＝29μm，d＝30μm，d＝31μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取d＝29μm时，双折射数值最大。d为组成纤芯2的相邻两个正六边形区域中心到中心的距离。
进一步地，基底材料3为环烯烃共聚物COC。需要说明的是，环烯烃共聚物COC是一种无定形高分子聚合物。在2～4.5THz范围内具有相对稳定的折射率1.52，较低的材料体吸收系数αmat＝1cm-1。
还需要说明的是，图3是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤限制损耗随频率的变化曲线图；图中，计算了光纤结构参数设置为L＝14.5μm，d＝29μm，R＝49μm，∧＝100μm，r＝2μm时，其限制损耗与频率的关系，由图可得结论：当选取优化后的参数值时，在1.3THz低频处TM偏振模的限制损耗最大为0.0551dB/cm，TE偏振模的限制损耗为0.0042dB/cm。在整个工作频带内实现了宽频带低损耗传输。
其次，图4是本发明提供的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤在1.3～5THz的波导色散曲线图；图4中，计算了光纤结构参数设置为L＝14.5μm，d＝29μm，R＝49μm，∧＝100μm，r＝2μm时，所提出的太赫兹光纤参数优化后在1.3～5THz的波导色散曲线。由图可得结论：在较宽的频率范围内2.25～5THz，始终在±0.2ps/THz/cm范围内保持着较低的近零平坦波导色散，有利于宽带THz波的高效传输。
另外，图5是本发明提供的TE和TM两个偏振态在1.3THz、3THz和5THz时的模场分布图。当光纤结构参数设置为L＝14.5μm，d＝29μm，R＝49μm，∧＝100μm，r＝2μm时，两偏振态分别在1.3THz、3THz、5THz处的模场分布。其中，图5为(a)为1.3THz处TE模场分布；图5为(b)为1.3THz处TM模场分布；图5为(c)为3THz处TE模场分布；图5为(d)为3THz处TM模场分布；图5为(e)为5THz处TE模场分布；图5为(f)为5THz处TM模场分布。结果表明，所设计的光纤在这三个频率处均可以工作。
值得说明的是，在本发明中，纤芯由多个微型空气孔组成，包括中心内层的1个正六边形单元空气孔芯和外层的6个正六边形单元组成的纤芯微结构，以中心内层为中心，外层的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；这样，由于纤芯结构的不对称排列，打破了纤芯结构的对称性，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，又降低了吸收损耗。其次，在本发明中，太赫兹光纤的包层采用典型正六角晶格排列的空气孔，包层结构也打破了光纤横截面的对称性，与不对称排列的纤芯结构结合，进一步提高太赫兹光纤的双折射并降低吸收损耗。另外，本发明提供的太赫兹光纤在2THz到5THz频率范围内，实现双折射变化范围为0.077到0.0965，在工作频率为3.5THz时，得到0.0965的超高双折射，10-13dB/cm的超低限制损耗和小于1cm-1的有效材料损耗；所提出的结构在2.25～5THz的频率范围内表现出±0.2ps/THz/cm的极低的近零平坦波导色散。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述太赫兹光纤包括：包层(1)和纤芯(2)；所述包层(1)和所述纤芯(2)设置在基底材料(3)内；
所述纤芯(2)包括：中心内层(4)和外层(5)；
所述中心内层(4)为6个圆形空气孔围成的正六边形区域；所述外层(5)为36个圆形空气孔组成，以每6个圆形空气孔为基本单元，围成6个正六边形区域；以所述中心内层(4)为中心，所述外层(5)的6个正六边形区域环绕成一个双层六边形的级联型区域；
所述纤芯(2)嵌入所述包层(1)内部。
2.根据权利要求1所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述包层(1)是由六层正六角晶格排列的圆形空气孔构成；最内层由六个圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、36个圆形空气孔组成。
3.根据权利要求2所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，组成所述包层(1)的圆形空气孔的半径R为45μm～49μm。
4.根据权利要求3所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，组成所述包层(1)的相邻两个圆形空气孔之间的距离∧为100μm～104μm。
5.根据权利要求4所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，组成所述纤芯(2)的圆形空气孔的半径r为1μm～3μm。
6.根据权利要求5所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，组成所述纤芯(2)的相邻两个圆形空气孔的距离为A，
Figure FDA0002598629860000011
L为13μm～15μm。
7.根据权利要求6所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，组成所述纤芯(2)的相邻两个正六边形区域的距离d为27μm～31μm。
8.根据权利要求1所述的一种2-5THz宽频六边形多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述基底材料(3)为环烯烃共聚物COC。
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