CN112596152B - 一种太赫兹空芯波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太赫兹空芯波导，包括若干依次级联的波导单元，波导单元包括纤芯和包层；纤芯由空气组成，包层包括外包层、介质层、空气层和支撑条组，介质层和空气层依次间隔包围在纤芯外侧，外包层包围于最外层空气层的外侧；太赫兹空芯波导的任一层空气层中至少有一个支撑条组；在同一波导单元的同一层空气层中所有的支撑条构成一个支撑条组，支撑条组内的支撑条沿周向排布，连接同一波导单元中两个相邻的介质层或者连接同一波导单元中的最外层介质层和外包层；对于任意两个相邻的波导单元，至少有一个波导单元的一层空气层内不设置支撑条。本发明通过间断式的支撑条排布，降低支撑条对波导传输损耗的影响，并实现对介质层和外包层的合理支撑。

Description

一种太赫兹空芯波导
技术领域
本发明涉及太赫兹光波段及太赫兹传输系统，尤其涉及一种太赫兹空芯波导。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位置特殊、性能优越，具有高透射性、低能量性、吸水性、瞬时性、相干性等特殊性质，使得太赫兹技术在各个研究领域都具有重要的的应用前景。然而，大多数介质对太赫兹波的传输具有很高的吸收损耗，很难在太赫兹波段找到具有低吸收损耗的波导材料，并且外部环境对太赫兹波的影响也非常大，近乎理想的方式就是将波导与外界隔绝，但在实际中，很难做到完全隔绝。
一维光子晶体的Bragg结构对模场具有较强的束缚能力，由于太赫兹波在空气中的损耗低，因而通常采用由沿波导径向间隔排布的介质层和空气层组成Bragg波导结构。然而，空气层中必须采用相应的支撑结构以形成稳定的机械结构。目前空芯Bragg波导有如下几种：1)“瑞士卷”波导结构；2)环形孔波导结构，在包层以环形方式沿波导径向等间距的排布一系列空气孔，以此等效Bragg包层的低折射率层，但这些等效Bragg波导结构在一定程度上减弱了Bragg包层对导波横向泄漏的束缚能力。3)蜘蛛网状结构的空芯Bragg波导，由于这种波导结构的包层壁厚很薄且纤芯空气孔较大，在制备上存在不少困难，且支撑条引起的结构损耗却不能忽视。
可见，如何保证波导结构的稳定性，同时又能有效减少支撑单元对波导传输损耗的影响，解决制备困难是目前太赫兹波导所要解决的主要问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种太赫兹空芯波导，通过间断式的支撑条排布，降低支撑条对波导传输损耗的影响。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种太赫兹空芯波导，包括依次级联的波导单元，所述波导单元包括纤芯和包层；
所述纤芯由空气组成，所述包层包括外包层、介质层、空气层和支撑条组，所述介质层和所述空气层依次间隔包围在所述纤芯外侧，所述外包层包围于最外层所述空气层的外侧；
所述太赫兹空芯波导的任一层空气层中至少有一个支撑条组；在同一波导单元的同一层空气层中所有的支撑条构成一个支撑条组，所述支撑条组内的支撑条沿周向排布，连接同一波导单元中两个相邻的所述介质层或者连接同一波导单元中的最外层介质层和外包层；对于任意两个相邻的波导单元，至少有一个波导单元的一层空气层内不设置支撑条。
优选地，所述空气层、所述介质层和所述外包层均为同心圆环，所述空气层的宽度均相同，所述介质层的宽度均相同。
优选地，对于任一波导单元内相邻的两层空气层，其中至多仅有一层空气层设有支撑条组。
优选地，所述介质层的层数N满足：2≤N≤6。
优选地，沿所述波导的径向从内向外第n层所述空气层中，所述支撑条的宽度dsn和位于所述波导同一横截面上的支撑条的数量Mn满足：ds，n≥dm，n，且有Mnds，n＜2πdr，n/4，其中，dm，n为第n层所述介质层的宽度，dr，n为第n层所述介质层的外径，1≤Mn≤N。
优选地，每个波导单元至多仅有一个空气层设有支撑条组，
优选地，沿所述波导的轴向，所述支撑条组呈周期性排布，在一个周期内所述支撑条组依次位于第一层空气层、第二层空气层、直至第N层空气层，以与纤芯相邻的空气层为第一层空气层，其余空气层沿所述波导的径向由所述波导内侧至外侧方向依次排序，N为所述波导的空气层层数。
优选地，沿所述波导的轴向，所述支撑条组呈周期性排布，所述支撑条组依次排布在第一层空气层、第二层空气层、直至第N层空气层，再由第N-1层空气层依次排布到第二层空气层，。
优选地，所述波导单元内，在同一空气层中的支撑条沿周向均匀分布。
优选地，所述波导单元内，所述支撑条组位于第n层空气层中，所述支撑条的长度Ls，n满足da，n＜Ls，n＜100dm，n，其中dm，n为第n层介质层的宽度，da，n为第n层空气层的宽度。
本发明的有益效果：
1.本发明的太赫兹空芯波导，支撑条沿波导轴向并非完整贯穿，沿波导轴向采用间断式的支撑条排布，有效减少了支撑条存在对包层结构带隙的破坏，减少了支撑条引起的传输损耗，通过合理的支撑条排布，保证了结构的机械稳定性。
2.本发明的太赫兹空芯波导，沿波导轴向可采用周期性的支撑条排布，以保证支撑条对介质层形成稳定和规律的机械支撑，保证结构的稳定性。
3.本发明的太赫兹空心波导，相当于由多段仅有部分空气层带支撑条的空芯波导单元级联组成，或者由多段无支撑条的空芯波导单元和仅有部分空气层带支撑条的空芯波导单元级联组成。这些单个波导单元本身由于缺少足够的支撑，无法组成稳定的机械结构。通过将这些波导单元有效的排列并级联起来，使得支撑条不但能够支撑本波导单元的介质层和外包层，还能对其它波导单元进行有效支撑，从而使整个波导形成稳定的结构。因而本发明结构既保证了波导结构的稳定性，同时又能获得与无支撑条的空芯波导类似的低损耗的传输。
附图说明
图1为本发明所述太赫兹空芯波导的波导单元的横截面折射率分布及部分波导单元的级联关系示意图；
图2为本发明所述太赫兹空芯波导的几种可选的波导单元横截面折射率分布以及级联关系；
图3为支撑条在不同空气层时的传输损耗曲线，其中：(a)为最内层空气层存在支撑条情况；(b)为第二层空气层存在支撑条情况：(c)为最外层空气层存在支撑条情况；
图4为支撑条在一个波导单元的两种分布示意图，其中：(a)示意波导单元内支撑条宽度沿轴向变化；(b)示意波导单元内存在无支撑条区间；
图5为波导的束缚损耗曲线图，其中：(a)为传统支撑条结构、无支撑条的理想结构的束缚损耗曲线图；(b)为支撑条处于不同空气层时的束缚损耗曲线图；(c)为相邻两层空气层存在支撑条时的束缚损耗曲线图；
图6为支撑条位于不同空气层时的传输损耗曲线图；
图7为波导内支撑条沿轴向周期性排布示意图，其中：(a)为不同层支撑条在轴向不存在间隔的排布方式；(b)为不同层间支撑条间轴向存在间隔的排布方式；(c)为支撑条呈拱桥形排布的情况；
图8为支撑条数量对传输损耗的影响曲线，其中：(a)为内层空气层存在支撑条情况；(b)为第二层空气层存在支撑条情况：(c)为最外层空气层存在支撑条情况。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面首先结合附图具体描述本发明所述的太赫兹空芯波导的具体实施要求和相关实施例。
请参阅图1，根据本发明实施例的一种太赫兹空芯波导包括若干依次级联的波导单元，波导单元包括纤芯和包层。
具体而言，纤芯1由空气组成，包层包括外包层2、至少一层介质层5、至少一层空气层3，包层还可包含至少一个支撑条组，介质层5和空气层3依次间隔包围在纤芯1外侧，介质层5和空气层3的数量相等，外包层包围于最外层空气层3的外侧，空气层3、介质层5、外包层2均为同心圆环结构。在同一波导单元的同一空气层中所有的支撑条构成一个支撑条组，每个支撑条组中的支撑条数不少于2。不同波导单元的差别主要是支撑条的组成、数量、排布等，而空气层3、介质层5、纤芯1和外包层2的参数是相同的。图1中左侧波导单元的最内层空气层存在支撑条，其既对本段波导单元的第一层和第二层介质层5进行支撑，同时也对中间和右侧两段波导单元的第一层和第二层介质层5实现支撑。同理，中间波导单元的支撑条4对所有波导单元的第二层和第三层介质层5进行支撑，而最右侧波导单元对第三层介质层5和外包层2进行支撑。对于任意两个相邻的波导单元，至少有一个波导单元的一层空气层3内不设置支撑条4，即支撑条4不是贯穿整个波导，而是在波导轴向选择性地分布。正是这种间断式的排布，使得支撑条4对太赫兹空芯波导的带隙影响减少，从而有效减少支撑条4的存在对太赫兹空芯波导束缚损耗的影响。当相邻两层空气层3中存在支撑条组时，其束缚损耗将明显增大，为此，一个较优方案是：其任一横截面中相邻两层空气层3至多仅有一层空气层3存在支撑条组。从机械支撑的角度可知，所述太赫兹空芯波导的任一空气层中至少有一个支撑条组，以实现对该空气层相邻的两层介质层的支撑或实现对最外层介质层和外包层的支撑。支撑条组包括若干沿周向分布的支撑条4，支撑条4作为稳定波导结构的桥梁，用于连接相邻的两层介质层5或用于连接最外层的介质层5与外包层2，对介质层5及外包层形成机械支撑，支撑条4可采用矩形结构，其两端与介质层5部分区域重叠。理论上，也可以采用更复杂的支撑条4形式，但支撑条4均应连接至两侧的介质层5或外包层2，以实现稳定的机械支撑。
图2给出了在波导横截面内，支撑条4可能存在的几种不同排布形式。支撑条2在同一空气层3中既可以是沿周向均匀分布，也可以几个支撑条4为一个单元，再以单元为单位形成均匀分布。其波导单元之间的级联可以依次按支撑条4所在空气层由内向外排布的方式级联，也可以不按此次序排布。为了方便说明，本发明中的空气层3均按照如下规则排序：以与纤芯相邻的空气层3为第一层空气层3，其余空气层3沿波导的径向由波导内侧至外侧方向依次排序。
如图3所示，在第一层空气层3和第二层空气层3上，虽然支撑条4宽度的变化引起损耗较大的波动，但支撑条4宽度变化对损耗的影响较小，因而，对于靠近纤芯1的内层空气层3中的支撑条组，可以通过增大支撑条4宽度，减少支撑条4分布长度和数量的方法，实现稳定支撑。除此之外，在同一波导单元中，支撑条4的宽度可以沿波导轴向变化，如图4(a)中所示，波导单元在第二层空气层3存在支撑条4，沿波导轴向其支撑条4的宽度采用由窄到宽贯穿波导单元的排布方式。此外，一个波导单元中，支撑条4可以不是贯穿整个波导单元，即支撑条4的长度可以小于波导单元长度，即可以存在部分波导区域，其从横截面看，无任何支撑条4存在，此区域形成理想的空芯波导结构，从而实现低损耗传输，如图4(b)中所示。
从整个波导来看，任一空气层均有支撑条4实现对介质层的支撑，在合理的支撑条4参数设置下，这种排布方式不影响其结构的机械稳定性。
如图6所示，位于越外层的支撑条4对模式的损耗越小，因而，实际上整个波导结构的损耗主要来源于第一层空气层3内设置支撑条4和第二层空气层3内设置支撑条4，由于这两段波导单元的长度仅占整个波导的长度的一部分，因此，本发明实施的太赫兹空芯波导的损耗可以进一步降低。另外，在部分波导区域，还可以形成无支撑条4的波导结构，这段区域波导的损耗更低。因而，本发明实施的太赫兹空芯波导不仅单个波导单元的损耗比传统支撑结构波导的损耗低，同时通过不同波导单元的组合，使得整个波导具有低的传输损耗，从而减小支撑条4对模式损耗的影响，获得比传统支撑结构更低的损耗。
在波导的同一横截面中，如果支撑条4在所有空气层3中均存在，则其将引起很大的束缚损耗，如图5所示，相对比，波导单元只有一层空气层3内设有支撑条4的结构则具有低传输损耗的优点。从图5(b)中可知，内层空气层3中的支撑条4对损耗的影响较大，其中内层空气层3中的支撑条4引起损耗随波长的波动较大，而外层空气层3中的支撑条4引起的损耗波动较小。由图5(c)可知，当在同一横截面内，第一层和第二层空气层3存在支撑条4或者第二层和第三层空气层3存在支撑条4时，束缚损耗明显高于仅单层空气层3存在支撑条4的束缚损耗，说明如果相邻两个空气层3中均存在支撑条4时，其束缚损耗较大，原因是支撑条的存在使得两个周期的带隙结构均被破坏，同时能量将在两层介质层之间耦合。因此，对于任一波导横截面，其相邻的两个空气层3中至多仅一个空气层存在支撑条4的情况下，可以更有效地减少支撑条4引起的束缚损耗。从更有效的方式来看，每个波导单元至多仅有一层空气层，其中设有支撑条组，即从波导任一横截面看，最多仅有一层空气层，其中设有支撑条组。此方式尽可能地减少了不同介质层之间的能量耦合，使波导具有较低的传输损耗。
优选地，在太赫兹空芯波导任一横截面内，同一空气层3中的支撑条4宽度相同，支撑条4沿周向均匀排布，即两个支撑条4之间的夹角为360°/Mn，以保证纤芯1模式的偏振态的简并性，即支撑条4形状应相同，且相邻支撑条4的间距也相同。支撑条4作为机械支撑，必须足够宽才能实现有效支撑，但同时支撑条4过宽也会导致波导带隙被完全破坏，为此第n空气层3中支撑条4的宽度ds，n和在同一横截面上的支撑条4的数量Mn满足：ds，n≥dm，n，且有Mnds，n＜2πdr，n/4，这里dm，n为第n介质层5的宽度，dr，n为第n介质层5的外径。
优选地，沿所述波导的轴向，所述支撑条组呈周期性排布，如图7所示。如图7(a)所示，支撑条组呈现周期性排布，支撑条组沿波导径向依次排布在第一层空气层3、第二层空气层3…第N-1层空气层3和第N层空气层3。整个太赫兹波导由多段波导单元级联组成，每段波导单元最多仅有一层空气层存在支撑条4。上述在同一周期内的支撑条组依次由内向外的周期性排布方式，保证了沿波导轴向，处于同一层空气层中的两根相邻的支撑条4之间保持合理的间距，以实现对介质层5的有效支撑。
承上述，本发明实施例中在同一周期内的支撑条组除了依次由内向外的排布方式外，根据机械结构力学原理，支撑条组还可按如图7(b)所示方式排布，即在同一周期内，支撑条组依次排布在第一层空气层3、第二层空气层3……直至第N层空气层3，再由第N-1层空气层3、第N-2层空气层3……依次排布到第二层空气层3。这种周期性的桥拱形排布方式，可实现稳定的机械支撑，并在一定的外界应力作用下仍能保证结构的稳定性。另外，在部分波导区域，还可以形成如图7(c)所示的无支撑条4的波导区域，这段波导区域具有更低的传输损耗。周期排布的支撑条4可对各介质层5及外包层2起稳定的支撑，并有效减小支撑条4引起的传输损耗。整个波导所包含的波导周期数、每个周期的长度、各层空气层3中支撑条4的长度等均可根据波导的总长度和使用要求等来灵活设置。
靠近外包层2的外层空气层3内的支撑条4，其数量变化对传输损耗的影响最小(图8)，越靠近纤芯1，支撑条4的数量变化对传输损耗的影响越大。因此在支撑条4的排布上可考虑外层空气层采用多根细且长的支撑条4，以实现稳定的支撑和减小传输损耗，而在内层空气层采用较短的支撑条4。
综合考虑各层空气层3对传输损耗的影响，因而第一层空气层3中支撑条4的长度Ls因尽量取短一些，特别地，一般要求，当支撑条4的排布周期长度LP与第一层空气层3中支撑条4的长度Ls之间满足：Ls＜0.1P。在一个波导单元内，当第n层空气层3中支撑条4的长度Ls，n满足da，n＜Ls，n＜100dm，n时，其机械支撑效果较好。这里dm，n为第n层介质层5的宽度，da，n为第n层空气层3的宽度。
下面列举本发明一具体实施例的基本结构和参数组成。其纤芯1直径d＝5mm，空气层3的宽度均为da＝0.774mm，高折射率介质层5宽度均为dm＝0.315mm，介质层5的层数N＝3。由内向外，空气层3上支撑条4的宽度分别为ds，1＝0.387mm，ds，2＝0.774mm，ds，3=0.323mm，空气层3上支撑条4的数量分别为N1＝1，N2＝2，N3＝2。W1，W2，W3分别表示第一层空气层3内有支撑条的波导单元，第二层空气层3内有支撑条的波导单元，最外层空气层3内有支撑条的波导单元。波导的排布周期长度P＝10mm，W1，W2，W3的长度分别为Ls，1＝0.8mm，Ls，2＝3.2mm，Ls，3＝6mm。即波导长度为30mm时，其波导单元级联顺序分别为W1，W2，W3，W1，W2，W3，W1，W2，W3。本实施例的太赫兹空芯波导结构可实现小于0.3dB/m的低传输损耗，其结果接近无支撑条的理想结果。因此，按本发明的支撑条4排布要求，选择合适的支撑条4宽度、数量及排布方式可获得低传输损耗的太赫兹空芯波导。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种太赫兹空芯波导，其特征在于，包括依次级联的波导单元，所述波导单元包括纤芯和包层；
所述纤芯由空气组成，所述包层包括外包层、介质层、空气层和支撑条组，所述介质层和所述空气层依次间隔包围在所述纤芯外侧，所述外包层包围于最外层所述空气层的外侧；
所述太赫兹空芯波导的任一层空气层中至少有一个支撑条组；在同一波导单元的同一层空气层中所有的支撑条构成一个支撑条组，所述支撑条组内的支撑条沿周向排布，连接同一波导单元中两个相邻的所述介质层或者连接同一波导单元中的最外层介质层和外包层；对于任意两个相邻的波导单元，至少有一个波导单元的一层空气层内不设置支撑条。
2.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，所述空气层、所述介质层和所述外包层均为同心圆环，所述空气层的宽度均相同，所述介质层的宽度均相同。
3.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，对于任一波导单元内相邻的两层空气层，其中至多仅有一层空气层设有支撑条组。
4.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，所述介质层的层数N满足：2≤N≤6。
5.根据权利要求4所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，沿所述波导的径向从内向外第n层所述空气层中，所述支撑条的宽度ds，n和位于所述波导同一横截面上的支撑条的数量Mn满足：ds，n≥dm，n，且有Mnds，n＜2πdr，n/4，其中，dm，n为第n层所述介质层的宽度，dr，n为第n层所述介质层的外径，1≤Mn≤N。
6.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，每个波导单元至多仅有一层空气层设有支撑条组。
7.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，沿所述波导的轴向，所述支撑条组呈周期性排布，在一个周期内所述支撑条组依次排布在第一层空气层、第二层空气层、直至第N层空气层，以与纤芯相邻的空气层为第一层空气层，其余空气层沿所述波导的径向由所述波导内侧至外侧方向依次排序，N为所述太赫兹空芯波导的空气层层数。
8.根据权利要求1所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，沿所述波导的轴向，所述支撑条组呈周期性排布，所述支撑条组依次排布在第一层空气层、第二层空气层、直至第N层空气层，再由第N-1层空气层依次排布到第二层空气层。
9.根据权利要求3所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，所述波导单元内，在同一空气层中的支撑条沿周向均匀分布。
10.根据权利要求9所述的太赫兹空芯波导，其特征在于，所述波导单元内，所述支撑条组位于第n层空气层中，所述支撑条的长度Ls，n满足da，n＜Ls，n＜100dm，n，其中dm，n为第n层介质层的宽度，da，n为第n层空气层的宽度。
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