CN113376735B - 一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤 - Google Patents

一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，光纤通信技术。包括：基底、包层和纤芯；包层和所述纤芯设置在基底内，且纤芯嵌入包层的中心；纤芯包括：第一纤芯区域、第二纤芯区域和第三纤芯区域，以第一纤芯区域4的中心为坐标原点，第一纤芯区域4由x轴方向上六个边界重叠的正六边形单元组成。在本发明中，纤芯包括第一纤芯区域、第二纤芯区域和第三纤芯区域，三个区域共同组成一个类中国结型多孔纤芯的纤芯区域；这样，由于多孔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限制损耗，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，降低了限制损耗又满足了色散可调的特性。

Description

一种类中国结型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，特别涉及一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤。
背景技术
研究发现，通过改变光纤两个偏振方向上空气孔的大小、形状或排列方式打破了光子晶体光纤包层、纤芯结构上的圆对称性，达到调控光纤折射率分布特性的目的，由于两偏振方向上的传播常数不同，两个偏振态无法发生模式简并时，可得到随频率变化的高双折射曲线。多孔芯太赫兹光子晶体光纤是一类特殊的光纤，特别适用于太赫兹传感，生物医学成像，时域光谱学，DNA杂交和癌症检测领域的应用，以及太赫兹通信领域。与传统太赫兹传输线不同，该光子晶体光纤可以在太赫兹范围提供高双折射和可调控色散特性。
通过打破光纤结构对称性来实现THz光子晶体光纤高双折射特性的方式主要可以分为三种：(1)通过改变包层空气孔的形状和排列方式；(2)通过改变纤芯区域空气孔的形状或排列方式；(3)同时改变包层和纤芯区域的空气孔结构和排列方式来提高光纤整体不对称性。研究发现，在1THz处，Abdur Razzak课题组提出两种基于kagome状包层沟槽纤芯结构的光纤，分别得到高双折射值为0.097和0.082，有效材料吸收损耗均小于0.06cm-1。Habib提出基于三角晶格包层/沟槽纤芯结构光纤，其高双折射值在1.5THz处达到0.096。Islam提出由不同大小椭圆空气孔组合成的纤芯结构，该光纤实现了在1THz处双折射为0.08，有效材料损耗小于0.07cm-1。但是，在3THz处的研究相对较少，且得到的高双折射值较小，如Wu提出的五层圆形空气孔三角晶格包层，小圆孔纤芯结构在3THz附近实现了双折射值为0.04。Yakasai提出的三角晶格包层椭圆纤芯结构，在3THz处双折射达到0.08，有效材料吸收损耗0.03cm-1。
可见，现有的高双折射太赫兹光子晶体光纤存在双折射值偏低，高双折射与低损耗之间不能同时兼顾的问题，实现高双折射、低损耗和色散平坦的太赫兹光子晶体光纤仍是实际工程应用领域的一项挑战。对于太赫兹波的传输来说，降低其限制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损耗都特性不太理想。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，包括：基底、包层和纤芯；
所述包层和所述纤芯设置在所述基底内，且所述纤芯嵌入所述包层的中心；所述纤芯包括：第一纤芯区域、第二纤芯区域和第三纤芯区域；
以所述第一纤芯区域的中心为坐标原点，所述第一纤芯区域由x轴方向上六个边界重叠的正六边形单元组成；
y轴正、负方向分别引入两个边界重叠的正六边形单元，且顶点分别与所述第一纤芯区域中间的两个正六边形单元的上、下顶点重叠，y轴正、负方向分别引入的两个边界重叠的正六边形单元与所述第一纤芯区域中间的两个正六边形单元共同组成所述第二纤芯区域；
所述正六边形单元是以6个第一圆形空气孔围成的正六边形区域；在y轴正、负方向分别引入7个第一圆形空气孔，组成所述第三纤芯区域，且所述第三纤芯区域中间的6个第一圆形空气孔与所述第二纤芯区域y轴上的6个第一圆形空气孔重叠；
所述第一纤芯区域、第二纤芯区域和第三纤芯区域共同组成类中国结型多孔纤芯区域。
进一步地，所述包层是由第二圆形空气孔按三角晶格排列而成；最内层由6个第二圆形空气孔组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、30个第二圆形空气孔组成。
进一步地，所述第二圆形空气孔的半径R为45μm～49μm。
进一步地，相邻两个所述第二圆形空气孔圆心之间的距离Λ为100μm～104μm。
进一步地，所述第一圆形空气孔的半径r为1μm～3μm。
进一步地，相邻两个所述第一圆形空气孔圆心之间的的距离d为5μm～9μm。
进一步地，相邻两个所述正六边形单元中心之间的距离为
Figure BDA0003137232350000021
。
进一步地，所述基底的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，包层和纤芯设置在基底内，且纤芯嵌入包层的中心，纤芯包括第一纤芯区域、第二纤芯区域和第三纤芯区域，三个区域共同组成一个类中国结型多孔纤芯的纤芯区域，这样，由于多孔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限制损耗，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，降低了限制损耗又满足了色散可调的特性。其次，在本发明中，太赫兹光纤的包层采用典型的圆形空气孔按三角晶格排列而成，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限制损耗。另外，本发明提供的太赫兹光纤在2THz到4.5THz频率范围内，实现双折射变化范围为0.08到0.0966，在工作频率为3.2THz时，得到0.0966的超高双折射，在整个工作频率范围内限制损耗均小于0.0008675dB/cm，较之前设计的限制损耗小两个数量级且有效材料损耗小于1cm-1；所提出的结构在2.3～4.5THz的频率范围内表现出±0.125ps/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类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤的截面结构示意图；
图2是本发明提供的第二圆形空气孔的不同的半径参数下，双折射随频率的变化曲线图；
图3是本发明提供的相邻两个第二圆形空气孔圆心之间不同距离参数下，双折射随频率的变化曲线图；
图4是本发明提供的第一圆形空气孔的不同的半径参数下，双折射随频率的变化曲线图；
图5是本发明提供的相邻两个第一圆形空气孔圆心之间不同距离参数下，双折射随频率的变化曲线图；
图6是本发明提供的一种类中国结型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7是本发明提供的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤在1.5-4.5THz的波导色散曲线图；
图8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-基底；2-包层；3-纤芯；4-第一纤芯区域；5-第二纤芯区域；6-第三纤芯区域；7-第一圆形空气孔；8-第二圆形空气孔。
具体实施方式
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。
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。
图1是本发明提供的一种类中国结型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，包括：基底1、包层2和纤芯3；包层2和纤芯3设置在基底1内，且纤芯3嵌入包层2的中心；纤芯3包括：第一纤芯区域4、第二纤芯区域5和第三纤芯区域6；以第一纤芯区域4的中心为坐标原点，第一纤芯区域4由x轴方向上六个边界重叠的正六边形单元组成；y轴正、负方向分别引入两个边界重叠的正六边形单元，且顶点分别与第一纤芯区域4中间的两个正六边形单元的上、下顶点重叠，y轴正、负方向分别引入的两个边界重叠的正六边形单元与第一纤芯区域4中间的两个正六边形单元共同组成所述第二纤芯区域5；正六边形单元是以6个第一圆形空气孔7围成的正六边形区域；在y轴正、负方向分别引入7个第一圆形空气孔7，组成第三纤芯区域6，且第三纤芯区域6中间的6个第一圆形空气孔7与第二纤芯区域5y轴上的6个第一圆形空气孔7重叠；第一纤芯区域4、第二纤芯区域5和第三纤芯区域6共同组成类中国结型多孔纤芯区域。
需要说明的是，由于纤芯三角晶格对光波导模式特性的影响大于包层三角晶格，在光纤的纤芯区域引入具有各向异性的微结构空气孔，更容易获得较高的双折射，较大的模场面积等优良特性。因此，在本发明中，纤芯3由多个第一圆形空气孔7组成，包括第一纤芯区域4、第二纤芯区域5和第三纤芯区域6，且各个部分均有重叠；三个区域共同组成一个类中国结型多孔纤芯的纤芯区域；这样，由于多孔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限制损耗，从而既提高了太赫兹光纤的双折射，降低了限制损耗又满足了色散可调的特性。
进一步地，包层2是由第二圆形空气孔8按三角晶格排列而成；最内层由6个第二圆形空气孔8组成，第二、三、四、五、六层分别有12、18、24、30、30个第二圆形空气孔8组成。
需要说明的是，将包层2由第二圆形空气孔8采用三角晶格排列，考虑到光纤双折射、限制损耗特性与制作难度，将包层2数确定为6层。这样，包层2结构也打破了光纤横截面的对称性，包层2结构与纤芯3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了限制损耗。
进一步地，第二圆形空气孔8的半径R为45μm～49μm。
需要说明的是，图2是本发明提供的第二圆形空气孔的不同的半径参数下，双折射随频率的变化曲线图，参见图2，分别计算了组成包层2的第二圆形空气孔8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，相邻两个第二圆形空气孔8圆心之间的距离Λ为100μm～104μm。
需要说明的是，图3是本发明提供的相邻两个第二圆形空气孔圆心之间不同距离参数下，双折射随频率的变化曲线图，参见图3，分别计算了当组成包层2的相邻两个第二圆形空气孔8圆心到圆心的距离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Λ＝100μm时，双折射数值最大。
进一步地，第一圆形空气孔7的半径r为1μm～3μm。
需要说明的是，图4是本发明提供的第一圆形空气孔的不同的半径参数下，双折射随频率的变化曲线图；参见图4，分别计算了当组成纤芯3的第一圆形空气孔7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，相邻两个第一圆形空气孔7圆心之间的的距离d为5μm～9μm。
需要说明的是，图5是本发明提供的相邻两个第一圆形空气孔圆心之间不同距离参数下，双折射随频率的变化曲线图；参见图5，分别计算了当d＝5μm，d＝6μm，d＝7μm，d＝8μm，d＝9μm时，其双折射与频率的关系，由图可得结论：当选取d＝8μm时，双折射数值最大。
进一步地，相邻两个正六边形单元中心之间的距离为
Figure BDA0003137232350000061
需要说明的是，参见图5，当d＝8μm双折射数值最大。因此当
Figure BDA0003137232350000062
时，双折射数值最大。
进一步地，基底1的材料为环烯烃共聚物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6是本发明提供的一种类中国结型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R＝49μm，Λ＝100μm，r＝2μm，d＝8μm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1.5THz低频处TM0偏振模的限制损耗最大为0.0008675dB/cm，TE0偏振模的限制损耗为0.00003599dB/cm。在整个工作频带内实现了宽频带低损耗传输。
其次，图7是本发明提供的一种类中国结型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R＝49μm，Λ＝100μm，r＝2μm，d＝8μm时，所提出的太赫兹光纤参数优化后在1.5～4.5THz的波导色散曲线。由图可得结论：在较宽的频率范围内2.3～4.5THz，始终在±0.125ps/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8是本发明提供的TE0和TM0两个偏振态在1.5THz、3THz、3.2THz和4.5THz时的模场分布图。当光纤结构参数设置为R＝49μm，Λ＝100μm，r＝2μm，d＝8μm时，两偏振态分别在1.5THz、3THz、3.2THz和4.5THz处的模场分布。其中，图5为(a)为1.5THz处TE模场分布；图5为(b)为1.5THz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3.2THz处TE模场分布；图5为(f)为3.2THz处TM模场分布；图5为(g)为4.5THz处TE模场分布；图5为(h)为4.5THz处TM模场分布。结果表明，所设计的光纤在这四个频率处均可以正常工作。
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)

1.一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，包括：基底(1)、包层(2)和纤芯(3)；
所述包层(2)和所述纤芯(3)设置在所述基底(1)内，且所述纤芯(3)嵌入所述包层(2)的中心；所述纤芯(3)包括：第一纤芯区域(4)、第二纤芯区域(5)和第三纤芯区域(6)；
以所述第一纤芯区域(4)的中心为坐标原点，所述第一纤芯区域(4)由x轴方向上六个边界重叠的正六边形单元组成；
y轴正、负方向分别引入两个边界重叠的正六边形单元，且顶点分别与所述第一纤芯区域(4)中间的两个正六边形单元的上、下顶点重叠，y轴正、负方向分别引入的两个边界重叠的正六边形单元与所述第一纤芯区域(4)中间的两个正六边形单元共同组成所述第二纤芯区域(5)；
所述正六边形单元是以6个第一圆形空气孔(7)围成的正六边形区域；在y轴正、负方向分别引入7个第一圆形空气孔(7)，组成所述第三纤芯区域(6)，且所述第三纤芯区域(6)中间的6个第一圆形空气孔(7)与所述第二纤芯区域(5)y轴上的6个第一圆形空气孔(7)重叠，所述第三纤芯区域(6)的第一圆形空气孔(7)的间距相等；
所述第一纤芯区域(4)、第二纤芯区域(5)和第三纤芯区域(6)共同组成类中国结型多孔纤芯区域。
2.根据权利要求1所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述包层(2)是由第二圆形空气孔(8)按三角晶格排列而成；最内层由6个第二圆形空气孔(8)组成，第二、三、四、五、六层分别由12、18、24、30、30个第二圆形空气孔(8)组成。
3.根据权利要求2所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述第二圆形空气孔(8)的半径R为45μm～49μm。
4.根据权利要求3所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，相邻两个所述第二圆形空气孔(8)圆心之间的距离Λ为100μm～104μm。
5.根据权利要求1所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述第一圆形空气孔(7)的半径r为1μm～3μm。
6.根据权利要求5所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，相邻两个所述第一圆形空气孔(7)圆心之间的距离d为5μm～9μm。
7.根据权利要求6所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，相邻两个所述正六边形单元中心之间的距离为
Figure FDA0003649993750000021
8.根据权利要求1-7任一所述的一种类中国结型多孔纤芯超高双折射太赫兹光纤，其特征在于，所述基底(1)的材料为环烯烃共聚物COC。
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