CN117130092A - 一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，包括矩形介质层、弧形介质层和外套管，所述外套管呈圆管状，所述矩形介质层通过所述外套管中心位置，所述矩形介质层两端与外套管固定连接。所述外套管与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层，且弧形介质层以矩形介质层为对称轴排列在矩形介质层两侧，所述外套管、弧形介质层、矩形介质层之间填充有空气；所述矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界，光纤具有的低传输损耗的优点；未来通信系统在5G向6G演化的过程中，正需要高度集成的太赫兹系统，此类具有高双折射、低损耗且结构简单的太赫兹波导有着重要的研究意义。
Description
技术领域
本发明涉及光纤设计技术领域，尤其是涉及一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤。
背景技术
由于太赫兹波具有许多独特的物理性质，如穿透力强、对生物体无害、对许多物质有强烈的吸收和散射等，可运用于安全检查、医疗领域、通信领域等，因此研究人员致力于设计各种太赫兹光纤来传输太赫兹波；对于太赫兹光纤，高双折射是一个重要的特性；它可以用来分离不同偏振方向的光，实现偏振控制和分析，同时还可以设计和实现多种复杂的光学器件和光学传输系统，提高光纤的传输性能和灵敏度；
基于光子晶体光纤，国内外研究人员提出了许多高双折射的光纤结构；Islam等人设计了一种蜂窝状包层的光子晶体光纤，利用纤芯和包层的不对称从而获得高双折射，在1.5THz处双折射值可达到0.083；随后，B.Wang等人提出了一种多孔光子晶体光纤，利用d形气孔来造成两偏振模式间的有效折射率差变大，结果显示1.0THz时高双折射为0.0595；2022年Y.S.Lee等人提出了一种由开槽多孔芯和椭圆气孔包层组成的多孔光子晶体光纤，可通过包层中的椭圆气孔阵列来破坏结构的对称性从而达到1.0THz处0.088的高双折射，同时开槽孔的空气区有助于降低有效材料损耗；
尽管这些光纤结构实现了高双折射值，但光纤结构复杂，提高了光纤制备难度；因此亟需设计结构简单且光纤性能良好的高双折射太赫兹光纤结构。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤。
根据本发明第一方面实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，包括矩形介质层、弧形介质层和外套管，所述外套管呈圆管状，所述矩形介质层通过所述外套管中心位置，所述矩形介质层两端与外套管固定连接。所述外套管与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层，且弧形介质层以矩形介质层为对称轴排列在矩形介质层两侧，所述外套管、弧形介质层、矩形介质层之间填充有空气，矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；所述矩形介质层的厚度t1为10μm-150μm，所述弧形介质层的厚度t2为10μm-150μm，所述外套管厚度D大于或等于0.5mm，所述外套管内径r1为3mm-10mm，所述光纤的工作频率f为0.4THz-2.2THz，弧形介质层与矩形介质层之间的距离为d+0.5t1，d的值小于λ/2；所述光纤最大双折射值B为0.1296。
根据本发明的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，所述光纤中使用非对称结构，当所述矩形介质层的厚度t1为60μm，所述弧形介质层的厚度t2为20μm，所述外套管厚度D大于或等于0.5mm，所述外套管内径为r1=4mm，弧形介质层与矩形介质层之间的距离为d+0.5t1，其中d=150μm，可以在大带宽0.82-1.98THz内实现高达10-1的高双折射，在1.35THz时有最大双折射值B为0.1296；
上述最大双折射值B可通过公式，求得，
其中nx和ny分别是x偏振和y偏振模式的有效折射率；
高双折射太赫兹光纤具有实现太赫兹波的保偏传输的特点，可用于制作各种太赫兹偏振器件，在太赫兹通信、传感、成像等领域也具有广泛应用；同时，这种不对称光纤由于其在x和y两种偏振模式之间的高折射率差，使它们在长距离传输信号时也十分有效；此外，光纤是虽然悬浮芯结构，但包层中有巨大的空气缝隙的特征，当0.82THz时y偏振的能量在空气中的占比为83.73%，总损耗是0.1493dB/cm，x偏振的能量在空气中的占比为59.61%，总损耗是0.3705dB/cm，具有的低传输损耗的优点；
上述总损耗值可通过限制损耗和有效材料损耗之和求得，
有效材料损耗αEML为，
,
其中，ε0和μ0分别是自由空间的介电常数和磁导率；n（r）是材料的折射率，αmat（r）表示块体材料的固有EML，Sz表示波印廷向量的z分量，E表示模式电场大小，A为积分变量；
限制损耗αCL为，
，
其中，其中f表示工作频率，c是真空中的光速，Im（nneff）是有效折射率的虚部；
未来通信系统在5G向6G演化的过程中，正需要高度集成的太赫兹系统，此类具有高双折射、低损耗且结构简单的太赫兹波导有着重要的研究意义。
根据本发明的一些实施例，所述光纤的工作波长λ为136μm-750μm；不同的工作频率对应光纤传输的不同波长，此工作波长的光纤传输速率高。
根据本发明的一些实施例，矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；所述纤芯的大小随着光纤工作频率f的增大而减小，导致纤芯的大小不固定。
根据本发明的一些实施例，所述弧形介质层为环烯烃共聚物中的一种，环烯烃共聚物具有低材料损耗、超低色散、1.5258的恒定折射率和对水蒸气的不敏感性，这些特性对光纤的传输速率、能效损耗有着巨大的帮助，经常使用在通信技术领域。
根据本发明的一些实施例，所述矩形介质层为环烯烃共聚物中的一种，环烯烃共聚物具有低材料损耗、超低色散、1.5258的恒定折射率和对水蒸气的不敏感性，这些特性对光纤的传输速率、能效损耗有着巨大的帮助，经常使用在通信技术领域。
根据本发明的一些实施例，所述弧形介质层对应的圆周角小于或等于360o，当弧形介质层的圆周角小于360°时，弧形介质层为圆弧状，两端固定连接在所述外套管上；当弧形介质层圆周角等于360°时，此时弧形介质层为与圆环状，圆环状的弧形介质层在制备工艺上更容易制备获得。
根据本发明的一些实施例，所述矩形介质层的个数为1个、2个或3个，当矩形介质层的个数增加时，光纤内部的不对称结构变现也越来越明显，所带来的双折射值也会来越高，但这个前提是基于光纤管内空气含量充足，所以矩形介质层的个数为1个、2个或3个最为合适。
根据本发明的一些实施例，所述弧形介质层的个数为2个、4个或6个，当弧形介质层的个数增加时，光纤内部的不对称结构变现也越来越明显，所带来的双折射值也会来越高，但这个前提是基于光纤管内空气含量充足，所以矩形介质层的个数为2个、4个或6个最为合适。
根据本发明的一些实施例，所述弧形介质层的厚度t2小于或等于所述矩形介质层的厚度t1，调节t1可实现更大的双折射值。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的弧形介质层与矩形介质层厚度不相同时的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的弧形介质层与矩形介质层厚度相同时的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的弧形介质层圆周角为360°时的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的第一双折射示意图；
图5为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的第一x偏振和y偏振总损耗示意图；
图6为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的第二双折射示意图；
图7为本发明实施例的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤的第二x偏振和y偏振总损耗示意图；
附图标记：1、矩形介质层；2、弧形介质层；3、外套管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文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。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
参阅图1、图4和图5所示，一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，包括矩形介质层1、弧形介质层2和外套管3，所述外套管3呈圆管状，所述矩形介质层1设置于所述外套管3中心位置，所述矩形介质层1两端与外套管3固定连接，所述外套管3与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层2，所述弧形介质层2对称分布在所述矩形介质层1两侧，所述弧形介质层2与所述外套管3固定连接，所述外套管3与所述弧形介质层2之间填充有空气，所述弧形介质层2与所述矩形介质层1之间也填充有空气，所述矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；
具体的，所述矩形介质层1的厚度t1为60μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为160μm；所述光纤达到最大双折射值B为0.1296；
具体的，所述光纤的工作频率为0.7THz-2.2THz；
具体的，所述弧形介质层2和矩形介质层1为COC塑料；
具体的，所述弧形介质层2对应的圆周角小于360o；
具体的，所述矩形介质层1的个数为1个；
具体的，所述弧形介质层2的个数为2个；
所述光纤中使用不对称的结构，当所述矩形介质层1的厚度t1为60μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为d1+0.5t1，其中d1=130μm，可以在大带宽0.82-1.98THz内实现高达0.1的高双折射，在1.35THz时有最大双折射值0.1296；
高双折射太赫兹光纤具有实现太赫兹波的保偏传输的特点，可用于制作各种太赫兹偏振器件，在太赫兹通信、传感、成像等领域也具有广泛应用；同时，这种不对称光纤由于其在x和y两种偏振模式之间的高折射率差，使它们在长距离传输信号时也十分有效；此外，光纤是虽然悬浮芯结构，但介质层中有巨大的气隙的特征，当0.82THz时y偏振的能在空气中的占比为83.73%，总损耗是0.1493dB/cm，x偏振的能量在空气中的占比为59.61%，总损耗是0.3705dB/cm，具有的低传输损耗的优点；未来通信系统在5G向6G演化的过程中，正需要高度集成的太赫兹系统，此类具有高双折射、低损耗且结构简单的太赫兹波导有着重要的研究意义；
此外，通过有限元方法进行数值模拟和理论分析，双折射和x和y两偏振总损耗的仿真结果参阅图4和图5所示，当介质层厚度t1=60μm，t2=20μm时，仿真结果表明，光纤具有超高双折射和低损耗特性，在0.82THz-1.98THz频率范围内，双折射值高达10-1量级，且频率为0.82THz时x偏振和y偏振的损耗分别是0.3705dB/cm和0.1493dB/cm；
上述双折射值B可通过公式，
求得，
其中nx和ny分别是x偏振和y偏振模式的有效折射率；
上述总损耗值可通过限制损耗和有效材料损耗之和求得，
有效材料损耗αEML为，
，
其中，ε0和μ0分别是自由空间的介电常数和磁导率；n（r）是材料的折射率，αmat（r）表示块体材料的固有EML，Sz表示波印廷向量的z分量，E表示模式电场大小，A为积分变量；
限制损耗αCL为，
，
其中，其中f表示工作频率，c是真空中的光速，Im（nneff）是有效折射率的虚部。
实施例2
参阅图2、图6和图7所示，一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，包括矩形介质层1、弧形介质层2和外套管3，所述外套管3呈圆管状，所述矩形介质层1设置于所述外套管3中心位置，所述矩形介质层1两端与外套管3固定连接，所述外套管3与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层2，所述弧形介质层2对称分布在所述矩形介质层1两侧，所述弧形介质层2与所述外套管3固定连接，所述外套管3与所述弧形介质层2之间填充有空气，所述弧形介质层2与所述矩形介质层1之间也填充有空气，所述矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；
具体的，所述矩形介质层1的厚度t1为20μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为160μm；频率0.4THz-1.0THz，所述光纤达到最大双折射值B为10-2以上；
具体的，所述光纤的工作频率为0.4THz-1.0THz；
具体的，所述弧形介质层2和矩形介质层1为COC塑料；
具体的，所述弧形介质层2对应的圆周角小于360o；
具体的，所述矩形介质层1的个数为1个；
具体的，所述弧形介质层2的个数为2个；
所述光纤中使用非对称结构，纤芯当所述矩形介质层1的厚度t1为20μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为d+0.5t1，其中d=150μm，可以实现高达10-2的高双折射；
高双折射太赫兹光纤具有实现太赫兹波的保偏传输的特点，可用于制作各种太赫兹偏振器件，在太赫兹通信、传感、成像等领域也具有广泛应用；同时，这种不对称光纤由于其在x和y两种偏振模式之间的高折射率差，使它们在长距离传输信号时也十分有效；此外，光纤虽然是悬浮芯结构，但介质层中有巨大的气隙的特征，频率0.4THz-1.0THz范围内，y偏振的能量在空气中的占比为90%以上，总损耗低于0.525dB/cm，具有的低传输损耗的优点；未来通信系统在5G向6G演化的过程中，正需要高度集成的太赫兹系统，此类具有高双折射、低损耗且结构简单的太赫兹波导有着重要的研究意义；
此外，相对于实施例1，本实施例将只变化矩形介质层1的厚度t1为20μm；使t1=t2=20μm时，通过有限元方法进行数值模拟和理论分析，双折射和两偏振总损耗的仿真结果参阅图6和图7所示，从0.8THz到1.0THz频率范围内，双折射值高于0.038，x和y两偏振基模总损耗可低于0.525dB/cm
上述最大双折射值B可通过公式，
求得，
其中nx和ny分别是x偏振和y偏振模式的有效折射率；
上述总损耗值可通过限制损耗和有效材料损耗之和求得，
有效材料损耗αEML为，
，
其中，ε0和μ0分别是自由空间的介电常数和磁导率；n（r）是材料的折射率，αmat（r）表示块体材料的固有EML，Sz表示波印廷向量的z分量，E表示模式电场大小，A为积分变量；
限制损耗αCL为，
，
其中，其中f表示工作频率，c是真空中的光速，Im（nneff）是有效折射率的虚部；
实施例3
参阅图3所示，一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，包括矩形介质层1、弧形介质层2和外套管3，所述外套管3呈圆管状，所述矩形介质层1设置于所述外套管3中心位置，所述矩形介质层1两端与外套管3固定连接，所述外套管3与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层2，所述弧形介质层2对称分布在所述矩形介质层1两侧，所述弧形介质层2与所述外套管3固定连接，所述外套管3与所述弧形介质层2之间填充有空气，所述弧形介质层2与所述矩形介质层1之间也填充有空气，所述矩形介质层和弧形介质层间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；
具体的，所述矩形介质层1的厚度t1为20μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为160μm；具体的，所述光纤的工作频率为0.4THz-2.2THz；
具体的，所述弧形介质层2和矩形介质层1为COC塑料；
具体的，所述弧形介质层2对应的圆周角等于360o；
具体的，所述矩形介质层1的个数为1个；
具体的，所述弧形介质层2的个数为2个；
相对于实施例1，本实施例改变之处在于将弧形介质的圆周角变化为360；也就是弧形介质层2的形状变为圆环型，在所有参数都相同的情况下，其效果与实施例2所述的效果相同，也就是所述述光纤中使用对称设置的弧形介质层2结构，就说明光纤具有不对称的结构特点，当所述矩形介质层1的厚度t1为20μm，所述弧形介质层2的厚度t2为20μm，所述外套管3厚度为外套管3厚度D=0.5mm，所述外套管3内径为r1=4mm，弧形介质层2与矩形介质层1之间的距离为d+0.5t1，可以实现高达10-2量级的高双折射。
高双折射太赫兹光纤具有实现太赫兹波的保偏传输的特点，可用于制作各种太赫兹偏振器件，在太赫兹通信、传感、成像等领域也具有广泛应用；同时，这种不对称光纤由于其在x和y两种偏振模式之间的高折射率差，使它们在长距离传输信号时也十分有效；此外，光纤是虽然悬浮芯结构，但介质层中有巨大的气隙的特征，未来通信系统在5G向6G演化的过程中，正需要高度集成的太赫兹系统，此类具有高双折射、低损耗且结构简单的太赫兹波导有着重要的研究意义；
此外，通过有限元方法进行数值模拟和理论分析，双折射和x和y两偏振总损耗的仿真结果参阅图4和图5所示，当介质层厚度t1=t2=20μm时，仿真结果表明，光纤具有超高双折射和低损耗特性，
上述最大双折射值B可通过公式，
求得，
其中nx和ny分别是x偏振和y偏振模式的有效折射率；
上述总损耗值可通过限制损耗和有效材料损耗之和求得，
有效材料损耗αEML为，
，
其中，ε0和μ0分别是自由空间的介电常数和磁导率；n（r）是材料的折射率，αmat（r）表示块体材料的固有EML，Sz表示波印廷向量的z分量，E表示模式电场大小，A为积分变量；
限制损耗αCL为，
，
其中，其中f表示工作频率，c是真空中的光速，Im（nneff）是有效折射率的虚部；
但其独特的圆环型的结构在制备工艺上更加简单，制备过程中成本更少，更容易制备得到。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1. 一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，包括矩形介质层（1）、弧形介质层（2）和外套管（3），所述外套管（3）呈圆管状，所述矩形介质层（1）通过所述外套管（3）中心位置，所述矩形介质层（1）两端与外套管（3）固定连接；所述外套管（3）与所述矩形介质之间还设置有弧形介质层（2），所述弧形介质层（2）对称分布在所述矩形介质层（1）两侧，所述弧形介质层（2）与所述外套管（3）固定连接，所述外套管（3）与所述弧形介质层（2）之间填充有空气，所述弧形介质层（2）与所述矩形介质层（1）之间也填充有空气，所述矩形介质层（1）和弧形介质层（2）间距较近的区域为纤芯，其余区域为包层，光纤纤芯与包层没有明显的边界；所述矩形介质层（1）的厚度t1为10 μm-150μm，所述弧形介质层（2）的厚度t2为10μm-150μm，所述外套管厚度D大于或等于0.5mm，所述外套管（3）内径r1为3mm-10mm，所述光纤的工作频率f为 0.4THz-2.2THz，弧形介质层（2）与矩形介质层（1）之间的距离为d+0.5t1，d的值小于λ/2，其中λ为光纤的工作波长。
2.根据权利要求1所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述光纤的工作波长为λ为136μm-750μm。
3.根据权利要求1所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述弧形介质层（2）为环烯烃共聚物中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述矩形介质层（1）为环烯烃共聚物中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述弧形介质层（2）对应的圆周角小于或等于360o。
6.根据权利要求4所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述弧形介质层（2）的个数为2个、4个或6个。
7.根据权利要求5所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述矩形介质层（1）的个数为1个、2个或3个。
8.根据权利要求6或权利要求7任意所述的一种高双折射的悬浮芯太赫兹光纤，其特征在于，所述弧形介质层（2）的厚度t2小于或等于所述矩形介质层（1）的厚度t1。
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Also Published As
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|---|---|
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