CN113281838B - 基于仿生材料的太赫兹光纤 - Google Patents

Abstract

基于仿生材料的太赫兹光纤，包括用于传输太赫兹波的空心芯区，所述空心芯区的外部设置有波导壁，所述波导壁内掺杂有若干导电颗粒。本发明不仅能够实现太赫兹波的低损耗传输，而且，由于掺杂的导电颗粒均匀或不均匀地分布于波导壁内，相较于现有技术中的连续的金属线，对波导壁的柔韧性影响更小，显著地提高了光纤的弯折特性，使得光纤能够实现一定程度的弯曲波导特性，进而根据需求，连接不同位置的太赫兹波的接口。此外，通过调节导电颗粒的掺杂质量比、排列方式、形状还能够实现不同频段的太赫兹波传输，且上述调节主要基于原材料的配比变化和增材制造工艺参数的调节，因此可在不改变生产线的前提下实现规模化生产。

Description

基于仿生材料的太赫兹光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹光纤技术领域，具体涉及基于仿生材料的太赫兹光纤。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)是近十多年来发展起来的一种新型微结构光纤，利用空气孔在纯SiO2光纤上周期性地排列，形成周期性的折射率分布。

根据导光机制，可以将光子晶体纤维分为全内反射型PCF(Total InternalReflection Photonic Crystal Fiber，TIR-PCF)和光子带隙型PCF(Photonic BandgapPhotonic Crystal Fiber，PBG-PCF)。其中，全内反射型PCF的太赫兹PCF纤芯为实芯或者多孔芯结构，其波导壁为光子晶体结构。光子带隙型PCF的纤芯通常为大空气孔或其它低折射率的材料，利用光子晶体的光子带隙效应将光限制在纤芯中传输。由于光子带隙型太赫兹PCF的尺寸普遍较大，因此这类PCF的光纤柔韧性较差。

现有技术中，专利申请CN102520475A公开了一种用于传输太赫兹的空心光纤。其将光纤设置为空心结构，并在空心芯区的外部沿周向设置有至少一圈金属丝，利用嵌入在波导壁中的一圈或多圈金属丝对太赫兹波的反射实现空心导光，从而实现太赫兹波的低损耗传输并一定程度上提高了光子带隙型PCF的光纤的柔韧性。但是，该空心光纤在传输太赫兹波时的损耗仍然较高，且波导壁中设置的多根金属丝限制了光纤整体的弯曲程度，难以实现光纤两端接口的任意连接。不仅如此，用于制备该空心光纤的预制棒融拉法工艺复杂，且工艺不易根据不同频段的太赫兹波进行调整，导致生产线复杂，不适合大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供基于仿生材料的太赫兹光纤，通过在高分子软性材料中掺杂导电颗粒，利用导电颗粒对电磁波的反射和调制特性将场束缚在光纤中部的空心芯区中，达到低损耗传输太赫兹波的目的，同时，由于掺杂的导电颗粒分布于高分子材料中，对高分子材料的柔韧性影响小，进而显著地提高太赫兹光纤的柔韧性，使光纤能够实现任意位置的两个接口之间的太赫兹波传输。

本发明通过下述技术方案实现：

基于仿生材料的太赫兹光纤，包括用于传输太赫兹波的空心芯区，所述空心芯区的外部设置有波导壁，所述波导壁内掺杂有若干导电颗粒。

本技术方案中，与现有技术相同的是，太赫兹光纤也包括由高分子柔性材料制成的波导壁，并在波导壁内设置空心芯区，所述空心芯区贯穿太赫兹光纤的两端，供太赫兹波传输。

与现有技术不同的是，在太赫兹光纤的波导壁内设置有若干导电颗粒。所述导电颗粒可以均匀地分布于波导壁内形成特定的排列方式，也可以随机散布于波导壁内。利用波导壁内的导电颗粒对太赫兹波的牢笼效应，将太赫兹波约束于空心芯区内进行传输。所述牢笼效应的原理类似于光子晶体利用光子带隙效应束缚电磁波的作用原理。

通过上述结构，不仅能够实现太赫兹波的低损耗传输，而且，由于掺杂的导电颗粒均匀或不均匀地分布于波导壁内，相较于现有技术中的连续的金属线，对波导壁的柔韧性影响更小，显著地提高了光纤的弯折特性，使得光纤能够实现一定程度的弯曲波导特性，进而根据需求，连接不同位置的太赫兹波的接口。此外，通过调节导电颗粒的掺杂质量比、排列方式、形状还能够实现不同频段的太赫兹波传输，且上述调节主要基于原材料的配比变化和增材制造工艺参数的调节，因此可在不改变生产线的前提下实现规模化生产。

进一步地，所述若干导电颗粒的总质量与波导壁的质量的质量比为15～40％。若波导壁内的所有导电颗粒的总质量与波导壁的质量的比例过小，则容易出现局部导电颗粒数量过少，太赫兹波传递损耗增大，若质量比过大，例如大于40％，则会较明显地影响光纤的整体柔韧度。因此，在实际操作时，导电颗粒的总质量与波导壁质量的比例为15～40％，优选为20～30％，更优选为30％。

进一步地，沿波导壁内表面至波导壁外表面的方向，所述质量比逐渐降低。本技术方案中，波导壁内靠近空心芯区的区域中的导电颗粒的数量多于远离空心芯区中的导电颗粒的数量，导电颗粒越靠近波导壁的外表面，数量越少。通过该结构，能够确保空心芯区附近具有的导电颗粒间的间距足够小以束缚太赫兹波，并在距离空心芯区更远的区域形成进一步束缚，进一步降低太赫兹波的传输损耗，并且，在此前提下，外部分布数量更少的结构使得波导壁的弯折角度可以更大，进一步提高光纤整体的柔韧性。不仅如此，上述导电颗粒分布还能够降低波导壁内导电颗粒的总质量，降低生产成本。

本发明中，导电颗粒既可以随机分布于波导壁中，使得制造工艺进一步简化，生产效率更高，但可能存在局部导电颗粒过少或过多的情况。导电颗粒也可以均匀地分布于波导壁内，大致形成有序的结构，虽然需要增加额外的工艺，却能够弥补导电颗粒局部过少或过多的问题。

作为本发明中导电颗粒有序排列的优选实施方式，所述若干导电颗粒包括沿太赫兹波传输方向分布的若干组导电颗粒，每组导电颗粒包括至少两层导电颗粒，每层导电颗粒沿空心芯区的周向均匀分布。太赫兹波传输方向也即光纤的轴线，导电颗粒沿太赫兹波传输方向有序分布。具体地，若干导电颗粒分为若干组，各组导电颗粒沿光纤的轴向有序分布，每组导电又由内向外分为至少两层导电颗粒，每层导电颗粒呈圆环状围绕空心芯区分布。

进一步地，相邻两层导电颗粒之间的距离为30～250μm。优选地，相邻两层导电颗粒之间的距离为30～200μm，进一步优选地，相邻两层导电颗粒之间的距离为200μm。

进一步地，靠近所述波导壁内壁的一层导电颗粒与波导壁的内壁之间的距离为20～60μm。优选地，距离波导壁内壁最近的第一层导电颗粒与波导壁的内壁之间的距离为60μm。

进一步地，所述导电颗粒的尺寸为0.1～10μm。本技术方案中，对于圆片形或球形的导电颗粒，所述尺寸为导电颗粒的直径；对于圆柱状或棒状的条形导电颗粒，所述尺寸为导电颗粒的长度；对于其他不规则的导电颗粒，所述尺寸为图形的最小外接矩形的长边的长度。

进一步地，所述导电颗粒的形状为条形、球形、圆片形中的至少一种。

进一步地，所述导电颗粒材料为金属材料或者具有电磁特性的复合材料。其中，所述金属材料可以是铜、金、银等金属，也可以是石墨烯、maxin、磷烯等具有电磁特性的复合材料。

进一步地，所述波导壁的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的至少一种。

进一步地，所述太赫兹光纤通过增材制造工艺制备。不同于现有技术中利用拉丝工艺或预制棒融拉工艺制备太赫兹光纤，本发明所提供的太赫兹光纤可以利用增材制造进行生产。具体地，将一定质量比的导电颗粒加入至熔融状态下的高分子材料中，搅拌均匀后利用3D打印成型即可制得。对于导电颗粒需要呈一定排列方式有序分布的太赫兹光纤，可通过调节工艺参数，对熔融状态的流体施加指定方向的作用力，以使得导电颗粒有序分布。通过增材制造工艺，不但能够快速、高效地生产具有一定柔韧性的低损耗太赫兹光纤，而且可以通过调节原材料中掺杂的导电颗粒的质量比，改变导电颗粒的形状，利用工艺参数使导电颗粒呈不同的有序排列以实现不同频段的太赫兹波传输，进而在不改变生产线的前提下实现规模化生产和灵活调节。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的太赫兹波光纤通过掺杂在波导壁中的导电颗粒，不仅能够实现太赫兹波的低损耗传输，而且相较于现有技术中连续的金属线，导电颗粒对波导壁的柔韧性影响更小，显著地提高了光纤的弯折特性，使得光纤能够实现一定程度的弯曲波导特性，进而根据需求，连接不同位置的太赫兹波的接口；

2、本发明通过调节导电颗粒的掺杂质量比，能够同时满足低损耗传输和柔韧性要求；

3、本发明通过将导电颗粒的质量比设置为沿波导壁内表面至波导壁外表面的方向逐渐降低，既能够确保空心芯区附近具有的导电颗粒间的间距足够小以束缚太赫兹波，并在距离空心芯区更远的区域形成进一步束缚，进一步降低太赫兹波的传输损耗，而且外部分布数量更少的结构使得波导壁的弯折角度可以更大，进一步提高光纤整体的柔韧性；

4、本发明提供的有序排列方式使得同组导电颗粒基本呈放射状由波导壁内表面向波导壁外表面发散，在空心芯区的外部形成逐渐增大的带隙，进而对不同频率的太赫兹波形成约束；

5、本发明的结构设计允许利用增材制造制备此太赫兹光纤，不但能够快速、高效地生产具有一定柔韧性的低损耗太赫兹光纤，而且可以通过调节原材料中掺杂的导电颗粒的质量比，改变导电颗粒的形状，利用工艺参数使导电颗粒呈不同的有序排列以实现不同频段的太赫兹波传输，进而在不改变生产线的前提下实现规模化生产和灵活调节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中圆片形导电颗粒的无序分布示意图；

图3为本发明具体实施例中条形导电颗粒的无序分布示意图；

图4为本发明具体实施例中球形导电颗粒的有序分布示意图；

图5为本发明具体实施例中条形导电颗粒的一种有序分布示意图；

图6为本发明具体实施例中条形导电颗粒的另一种有序分布示意图；

图7描述了利用CST模拟计算实施例1中太赫兹光纤的正向传导系数模拟结果；

图8描述了利用CST模拟计算实施例2中太赫兹光纤的正向传导系数模拟结果；

图9描述了利用CST模拟计算实施例3中太赫兹光纤的正向传导系数模拟结果；

图10描述了利用CST模拟计算实施例4中太赫兹光纤的正向传导系数模拟结果；

图11描述了利用CST模拟计算对比例1中太赫兹光纤的正向传导系数模拟结果。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-波导壁，2-空心芯区，3-导电颗粒，31-圆片形导电颗粒，32-条形导电颗粒，33-球形导电颗粒。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“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保护范围的限制。

此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

下述实施例中，均采用增材制造工艺生产太赫兹光纤。在制备工艺中，首先制备得到具有所需形状、尺寸和材料的导电颗粒，之后将金属颗粒加入至熔融的高分子材料中，搅拌均匀后利用增材制造制备得到具有空心芯区的太赫兹光纤，且波导壁中分布有若干导电颗粒。

实施例1：

如图1和图2所示的基于仿生材料的太赫兹光纤，该太赫兹光纤F1包括用于传输太赫兹波的空心芯区2，所述空心芯区2的外部设置有波导壁1，波导壁1内掺杂有若干导电颗粒3。其中，导电颗粒为圆片形导电颗粒31，所述圆片形导电颗粒31的材料为铜，圆片形导电颗粒31的尺寸为0.4～2μm；圆片形导电颗粒31非均匀地分布于波导壁1中，且圆片形导电颗粒31的总质量波导壁1的质量的质量比为30％；波导壁1的材料为聚四氟乙烯。

图7示出了利用CST模拟计算太赫兹光纤F1的正向传导系数的模拟结果，太赫兹光纤F1的两端均为金属以模拟金属波导。正向传导系数是指输出端的信号与输入端信号的比值，该比值越大则说明传输损耗越低，理想值为1，即0dB。如图7所示，该太赫兹光纤F1的设计目标频段为0.45～0.56THz，正向传导系数基本低于-1dB，表明太赫兹光纤F1的传输损耗较低。

实施例2：

本实施例中，导电颗粒3有序地分布于波导壁1内。具体地，导电颗粒3包括沿太赫兹波传输方向分布的若干组导电颗粒3，每组导电颗粒3包括由内向外的三层导电颗粒3，导电颗粒3的排列方式如图5所示，相邻两层导电颗粒3之间的距离为40μm，靠近波导壁1的内壁的第一层导电颗粒3与波导壁1内壁的距离为22.5μm。

本实施例采用的导电颗粒3为条形导电颗粒32，条形导电颗粒32的中轴线垂直于太赫兹光纤F2的中轴线，所述条形导电颗粒32的材料为金属，条形导电颗粒32的总质量波导壁1的质量的质量比为35％；波导壁1的材料为聚四氟乙烯。

图8示出了利用CST模拟计算太赫兹光纤F2的正向传导系数的模拟结果，太赫兹光纤F2的两端均为金属以模拟金属波导。如图所示，该太赫兹光纤F2的设计目标频段为0.46～0.60THz，正向传导系数基本低于-1dB，表明太赫兹光纤F1的传输损耗较低，同时，正向传导系数的起伏较小，能够稳定传输的频段增加。

实施例3：

本实施例中，导电颗粒3有序地分布于波导壁1内。导电颗粒3包括沿太赫兹波传输方向分布的若干组导电颗粒3，每组导电颗粒3包括由内向外的三层导电颗粒3，导电颗粒3的排列方式如图5所示，相邻两层导电颗粒3之间的距离为80μm，靠近波导壁1的内壁的第一层导电颗粒3与波导壁1内壁的距离为30μm。

本实施例采用的导电颗粒3为条形导电颗粒32，条形导电颗粒32的中轴线垂直于太赫兹光纤F3的中轴线，所述条形导电颗粒32的材料为金属，条形导电颗粒32的总质量波导壁1的质量的质量比为20％；波导壁1的材料为聚四氟乙烯。

图9示出了利用CST模拟计算太赫兹光纤F3的正向传导系数的模拟结果，太赫兹光纤F3的两端均为金属以模拟金属波导。如图所示，该太赫兹光纤F3的设计目标频段为0.46～0.56THz，正向传导系数基本低于-1dB，表明太赫兹光纤F1的传输损耗较低，同时，正向传导系数的起伏较小，能够稳定传输的频段增加。

实施例4：

本实施例中，导电颗粒3有序地分布于波导壁1内。导电颗粒3包括沿太赫兹波传输方向分布的若干组导电颗粒3，每组导电颗粒3包括由内向外的三层导电颗粒3，导电颗粒3的排列方式如图5所示，相邻两层导电颗粒3之间的距离为200μm，靠近波导壁1的内壁的第一层导电颗粒3与波导壁1内壁的距离为60μm。

本实施例采用的导电颗粒3为条形导电颗粒32，条形导电颗粒32的中轴线垂直于太赫兹光纤F4的中轴线，所述条形导电颗粒32的材料为金属，条形导电颗粒32的总质量波导壁1的质量的质量比为40％；波导壁1的材料为聚四氟乙烯。

图10示出了利用CST模拟计算太赫兹光纤F4的正向传导系数的模拟结果，太赫兹光纤F4的两端均为金属以模拟金属波导。如图所示，该太赫兹光纤F4的设计目标频段为0.47～0.58THz，正向传导系数基本低于-1dB，表明太赫兹光纤F1的传输损耗较低。本实施例中，正向传导系数的起伏进一步减小，且能够稳定传输的频段明显增加。

对比例1：

该对比例采用实施例1～4中的太赫兹光纤的尺寸，但在波导壁内不掺杂有导电颗粒。从图11可以看出，该太赫兹光纤的正向传导系数起伏大，无法稳定地传输太赫兹波。

因此，可以看出，掺杂的导电颗粒能够利用牢笼效应实现太赫兹波的低损耗传输，而且相较于现有技术中连续的金属线，导电颗粒对波导壁的柔韧性影响更小，显著地提高了光纤的弯折特性，使得光纤能够实现一定程度的弯曲波导特性，进而根据需求，连接不同位置的太赫兹波的接口。此外，通过调整相邻两层导电颗粒之间的距离，以及第一层导电颗粒与波导壁内壁的距离能够进一步减小太赫兹光纤的正向传导系数，显著地增加能够稳定传输的频段。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于仿生材料的太赫兹光纤，包括用于传输太赫兹波的空心芯区（2），所述空心芯区（2）的外部设置有波导壁（1），其特征在于，所述波导壁（1）内掺杂有若干导电颗粒（3），所述若干导电颗粒（3）的总质量与波导壁（1）的质量的质量比为15~40%。

2.根据权利要求1所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，沿波导壁（1）内表面至波导壁（1）外表面的方向，所述质量比逐渐降低。

3.根据权利要求1所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，所述若干导电颗粒（3）包括沿太赫兹波传输方向分布的若干组导电颗粒（3），每组导电颗粒（3）包括至少两层导电颗粒（3），每层导电颗粒（3）沿空心芯区（2）的周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，相邻两层导电颗粒（3）之间的距离为30~250 μm。

5.根据权利要求3所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，靠近所述波导壁（1）内壁的一层导电颗粒（3）与波导壁（1）的内壁之间的距离为20~60 μm。

6.根据权利要求1所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，所述导电颗粒（3）的形状为条形、球形、圆片形中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，所述导电颗粒（3）材料为金属材料或者具有电磁特性的复合材料。

8.根据权利要求1~7中任一项所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，所述波导壁（1）的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的至少一种。

9.根据权利要求1~7中任一项所述的基于仿生材料的太赫兹光纤，其特征在于，所述太赫兹光纤通过增材制造工艺制备。

Images