RU2754713C1 - Terahertz polymer waveguide - Google Patents
Terahertz polymer waveguide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754713C1 RU2754713C1 RU2020133237A RU2020133237A RU2754713C1 RU 2754713 C1 RU2754713 C1 RU 2754713C1 RU 2020133237 A RU2020133237 A RU 2020133237A RU 2020133237 A RU2020133237 A RU 2020133237A RU 2754713 C1 RU2754713 C1 RU 2754713C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- pipe
- thz
- terahertz
- core
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области терагерцовой оптики, в частности к средствам волноводной передачи ТГц излучения, и может быть использовано в таких областях, как передача информации на ТГц частотах, экспрессные методы анализа газов, в том числе загрязнений атмосферы или состава выдыхаемого человеком воздуха, по которому можно судить о состоянии здоровья, сфера безопасности и досмотра пассажиров на транспорте в качестве инструмента для идентификации запрещенных веществ.The invention relates to the field of terahertz optics, in particular to the means of waveguide transmission of THz radiation, and can be used in such areas as the transmission of information at THz frequencies, express methods for analyzing gases, including atmospheric pollution or the composition of air exhaled by a person, through which it is possible judge the health, safety and security of passengers in transport as a tool for identifying prohibited substances.
Изобретение относится к волноводным методам передачи электромагнитного излучения в диапазоне частот 0.1-10 ТГц, которое занимает промежуточное положение между микроволновым и инфракрасным областями шкалы электромагнитных волн. Благодаря ряду специфических свойств ТГц диапазон привлекателен для проведения большого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики и химии. The invention relates to waveguide methods for transmitting electromagnetic radiation in the frequency range 0.1-10 THz, which occupies an intermediate position between the microwave and infrared regions of the electromagnetic wave scale. Due to a number of specific properties, the THz range is attractive for a wide range of fundamental and applied research in the field of physics and chemistry.
Основные требования для практических приложений ТГц волноводов – максимальная эффективность передачи излучения в широком спектральном диапазоне, малая дисперсия для ТГц импульса на длине передачи и гибкость (малые изгибные потери мощности излучения, механическая возможность обратимого изгиба).The main requirements for practical applications of THz waveguides are the maximum radiation transmission efficiency in a wide spectral range, low dispersion for a THz pulse over the transmission length, and flexibility (low bending radiation power losses, mechanical possibility of reversible bending).
Фундаментальная проблема в разработке ТГц волноводов состоит в отсутствии достаточно прозрачных эластичных материалов для этого спектрального диапазона. Поэтому наиболее перспективны конструкции волноводов, где максимальная доля излучения передается в воздухе (или другом газе), а минимальная доля распространяется в твердом материале, ограничивающем волноводный канал. A fundamental problem in the development of THz waveguides is the lack of sufficiently transparent elastic materials for this spectral range. Therefore, the most promising designs of waveguides, where the maximum fraction of radiation is transmitted in air (or other gas), and the minimum fraction spreads in a solid material that bounds the waveguide channel.
Перспективны волноводы с полой сердцевиной, использующие концепцию фотонного кристалла для удержания и передачи излучения по волноводной воздушной сердцевине. Волноводные свойства в этом случае обусловлены тем, что отражающая оболочка в поперечном сечении представляет собой регулярную двумерную периодическую структуру (аналог решетки Брэгга) с периодом порядка длины волны излучения. Рассеяние излучения на периодической структуре создает условия запрета для длин волн, соответствующие окнам прозрачности волновода. В итоге внутрицентральной воздушной области формируются локализованные моды излучения, которые распространяются вдоль воздушной сердцевины и не могут её покидать.Hollow-core waveguides are promising, using the concept of a photonic crystal to contain and transmit radiation along a waveguide air core. The waveguide properties in this case are due to the fact that the reflecting shell in the cross section is a regular two-dimensional periodic structure (analogue of the Bragg grating) with a period of the order of the radiation wavelength. The scattering of radiation on a periodic structure creates conditions of exclusion for wavelengths corresponding to the transparency windows of the waveguide. As a result, localized radiation modes are formed in the intracentral air region, which propagate along the air core and cannot leave it.
Известен пористый ТГц ФКВ, который представляет собой цилиндр из полимера, параллельно центральной оси, которого имеются продольные воздушные каналы, которые образуют гексагональный пористый массив отверстий в поперечном сечении. Диаметр каналов и расстояния между ними меньше длины волны ТГц излучения. Смысл периодической структуры воздух-полимер в том, что в пределах гексагонального массива формируется результирующий эффективный показатель преломления, который позволяет передачу соответствующих мод излучения вдоль этого массива [A. Hassani, A. Dupuis, M. Skorobogatiy. Low loss porous terahertz fibers containing multiple subwavelength holes. – Applied Physics Letters 92, 071101 (2008)].Known porous THz PCF, which is a polymer cylinder parallel to the central axis, which has longitudinal air channels that form a hexagonal porous array of holes in the cross section. The diameter of the channels and the distance between them are less than the THz radiation wavelength. The meaning of the periodic air-polymer structure is that the resulting effective refractive index is formed within the hexagonal array, which allows the transmission of the corresponding radiation modes along this array [A. Hassani, A. Dupuis, M. Skorobogatiy. Low loss porous terahertz fibers containing multiple subwavelength holes. - Applied Physics Letters 92, 071101 (2008)].
Известен фотонно-кристаллический волновод (ФКВ) с полой сердцевиной, где отражающая оболочка состоит из чередующихся слоев полимеров с разными показателями преломления [патент США US 2009/0097809 A1, опубл. 16.04.2009].Known photonic crystal waveguide (PCF) with a hollow core, where the reflecting cladding consists of alternating layers of polymers with different refractive indices [US patent US 2009/0097809 A1, publ. 04/16/2009].
Недостатком таких волноводов является узкая полоса пропускания и довольно большие потери мощности ТГц излучения на выходе ввиду сильного поглощения ТГц излучения в использованных полимерах, а также по причине распространения передаваемого поля на несколько отражающих слоев в структурированную оболочку, где излучение поглощается.The disadvantage of such waveguides is a narrow bandwidth and rather large losses of THz radiation power at the output due to the strong absorption of THz radiation in the used polymers, as well as due to the propagation of the transmitted field over several reflecting layers into a structured cladding, where the radiation is absorbed.
Известен сапфировый терагерцовый фотонно-кристаллический волновод, представляющий собой диэлектрическое тело из монокристаллического сапфира, в котором имеются параллельные центральной продольной оси каналы, расположенные в виде гексагональной структуры, при этом минимальный размер сечения каналов волновода равен или больше длины волны передаваемого ТГц излучения. Применение монокристаллического сапфира в качестве материала волновода позволило снизить потери мощности передаваемого ТГц излучения, так как сапфир обладает существенно более низким поглощением ТГц электромагнитного излучения в сравнении с полимерными средами и стеклами [Патент РФ № 2601770 С1 опубл.10.11.2016]. Known sapphire terahertz photonic crystal waveguide, which is a dielectric body made of monocrystalline sapphire, in which there are channels parallel to the central longitudinal axis, arranged in the form of a hexagonal structure, while the minimum size of the waveguide channel section is equal to or greater than the wavelength of the transmitted THz radiation. The use of single-crystal sapphire as a waveguide material made it possible to reduce the power loss of transmitted THz radiation, since sapphire has a significantly lower absorption of THz electromagnetic radiation in comparison with polymer media and glasses [RF Patent No. 2601770 C1 publ. 10.11.2016].
Недостатком такого волновода является малая длина (несколько десятков см), отсутствие физической возможности изгиба для практических приложений доставки излучения в труднодоступные места, а также относительная дороговизна.The disadvantage of such a waveguide is its short length (several tens of cm), the absence of the physical possibility of bending for practical applications of delivering radiation to hard-to-reach places, and also the relative high cost.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является микроструктурированный волоконный световод с полой сердцевиной для локализации и передачи излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения [Патент РФ № 2563555 C1 опубл.20.09.2015]. The closest in technical essence to the claimed invention is a microstructured fiber with a hollow core for localization and transmission of high optical power radiation in the spectral frequency range from visible to infrared radiation [RF Patent No. 2563555 C1 publ. 20.09.2015].
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: наличие опорной трубы из диэлектрического материала; наличие волноводной полой сердцевины, образованную областью вблизи оси волновода, при этом границы сердцевины имеют поверхность с отрицательной кривизной и внешнее защитное покрытие.Signs of an analogue, coinciding with the essential features of the claimed invention, are: the presence of a support pipe made of dielectric material; the presence of a waveguide hollow core formed by a region near the axis of the waveguide, while the boundaries of the core have a surface with negative curvature and an outer protective coating.
Однако данный волновод не содержит конструктивные элементы в виде тонкостенных трубок, выполненных из диэлектрического материала, крепящихся к внутренней поверхности опорной трубы, которые могут либо касаться друг друга, либо располагаться раздельно. Кроме того, технический результат прототипа состоит в локализации излучения высокой оптической мощности в спектральном диапазоне частот от видимого до ИК-излучения, в то время как назначение заявляемого изобретения относится к ТГц области спектра, где длина волны существенно больше, что накладывает новые ограничения на диаметр волновода.However, this waveguide does not contain structural elements in the form of thin-walled tubes made of dielectric material attached to the inner surface of the support tube, which can either touch each other or be located separately. In addition, the technical result of the prototype consists in the localization of radiation of high optical power in the spectral frequency range from visible to infrared radiation, while the purpose of the claimed invention relates to the THz region of the spectrum, where the wavelength is significantly longer, which imposes new restrictions on the diameter of the waveguide ...
Таким образом, наиболее близкий аналог заявляемого изобретения представляет собой устройство с полой волноводной сердцевиной, окруженной отражающей оболочкой в виде одного слоя цилиндрических капилляров в количестве трех и более. Thus, the closest analogue of the claimed invention is a device with a hollow waveguide core surrounded by a reflective shell in the form of a single layer of three or more cylindrical capillaries.
Такого типа конструкции впервые получили название волноводов с отрицательной кривизной границы сердцевина – оболочка [A.D. Pryamikov, A.S. Biriukov, A.F. Kosolapov, V.G. Plotnichenko et.al.Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow - core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region > 3.5 μm. Opt.Express. 2011/ 19. 1441-1448] This type of construction was first called waveguides with a negative curvature of the core-cladding interface [A.D. Pryamikov, A.S. Biriukov, A.F. Kosolapov, V.G. Plotnichenko et.al. Demonstration of a waveguide regime for a silica hollow - core microstructured optical fiber with a negative curvature of the core boundary in the spectral region> 3.5 μm. Opt.Express. 2011 / 19.1441-1448]
Принципиальное отличие этого подхода от известных устройств с использованием концепции фотонного кристалла в качестве отражающей оболочки состоит в том, что волноводные свойства формируются отражением излучения от первой границы раздела сердцевина – оболочка. Определяющие параметры, которые задают волноводные свойства и спектральный диапазон пропускания – диаметр полой волноводной сердцевины, толщина стенки капилляров, степень отрицательной кривизны границы раздела, ТГц преломление материала, а также стабильность этих параметров вдоль длины волновода. В частности, увеличение диаметра волноводной полости, уменьшение толщины стенок капилляров и увеличение степени отрицательной кривизны границы сердцевина-оболочка каждое по отдельности приводит к уменьшению потерь излучения. Однако, эти параметры взаимосвязаны друг с другом, ограниченны внешним размером и механической прочностью. Например, в конструкции аналога, где оболочка состоит из 8-ми капилляров, рост диаметра полой сердцевины приведет к росту диаметра капилляров, что в конечном итоге увеличит общий диаметр волновода и, соответственно, ухудшит гибкость. С другой стороны, для того чтобы увеличить отрицательную кривизну границы сердцевина – оболочка необходимо уменьшить количество капилляров, что приведет к уменьшению диаметра волноводной полости. Очевидно, что требуется оптимальное соотношение между этими тремя параметрами для достижения приемлемой эффективности пропускания ТГц излучения волноводом.The fundamental difference of this approach from known devices using the concept of a photonic crystal as a reflecting cladding is that the waveguide properties are formed by reflection of radiation from the first core-cladding interface. The defining parameters that determine the waveguide properties and spectral transmission range are the diameter of the hollow waveguide core, the thickness of the capillary wall, the degree of negative curvature of the interface, THz refraction of the material, as well as the stability of these parameters along the length of the waveguide. In particular, an increase in the diameter of the waveguide cavity, a decrease in the thickness of the capillary walls, and an increase in the degree of negative curvature of the core-cladding interface, each separately, lead to a decrease in radiation losses. However, these parameters are interrelated with each other, limited by the external size and mechanical strength. For example, in an analogous design where the cladding consists of 8 capillaries, an increase in the diameter of the hollow core will lead to an increase in the diameter of the capillaries, which will ultimately increase the overall diameter of the waveguide and, accordingly, impair flexibility. On the other hand, in order to increase the negative curvature of the core-cladding interface, it is necessary to reduce the number of capillaries, which will lead to a decrease in the diameter of the waveguide cavity. Obviously, an optimal ratio between these three parameters is required to achieve an acceptable transmission efficiency of THz radiation by the waveguide.
Непосредственный перенос конфигурации волновода с отрицательной кривизной границы сердцевина-оболочка ТГц диапазон сталкивается с проблемами, главная из которых – значительный диаметр поперечного сечения волокна (несколько см, поскольку длина волны ТГц излучения имеет см масштаб), что отрицательно сказывается на его гибкости. Кроме того, наиболее приемлемыми по оптической прозрачности диэлектрическими материалами для ТГц диапазона являются полимеры (полиэтилен, полипропилен, полиметилпентен). Изготовление волноводов с отрицательной кривизной границы сердцевина – оболочкаиз полимеров связано с еще большими трудностями по сравнению со случаемизготовления их из стекол. Они в основном связаны с удержанием стабильности геометрической формы и размеров поперечного сечения вдоль длины волновода, что негативно влияет на его волноводные свойства.Direct transfer of the waveguide configuration with a negative curvature of the core-cladding interface in the THz range encounters problems, the main one of which is the significant cross-sectional diameter of the fiber (several cm, since the wavelength of THz radiation has a cm scale), which negatively affects its flexibility. In addition, polymers (polyethylene, polypropylene, polymethylpentene) are the most acceptable dielectric materials for the THz range in terms of optical transparency. The fabrication of waveguides with a negative curvature of the core - cladding interface from polymers is associated with even greater difficulties in comparison with the case of their production from glass. They are mainly associated with maintaining the stability of the geometric shape and cross-sectional dimensions along the length of the waveguide, which negatively affects its waveguide properties.
Задача изобретения – создание ТГц волновода с полой сердцевиной и однорядной отражающей оболочкой обеспечивающий увеличение диаметра полой волноводной сердцевины при фиксированном значении общего диаметра волновода, что в конечном итоге приводит к увеличению гибкости волновода и к уменьшению удельных потерь передаваемого им ТГц излучения.The objective of the invention is to create a THz waveguide with a hollow core and a single-row reflective cladding that provides an increase in the diameter of the hollow waveguide core at a fixed value of the total diameter of the waveguide, which ultimately leads to an increase in the flexibility of the waveguide and to a decrease in the specific losses of the THz radiation transmitted by it.
Технический результат достигается за счет того, что в опорную гибкую полимерную трубку цилиндрической формы вставлена другая трубка из того же материала, стенка которой имеет, по меньшей мере, три равноудаленных друг от друга гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении, при этом волноводная полая сердцевина, ограничена гофрированной границей, представляющая собой поверхность с отрицательной кривизной.The technical result is achieved due to the fact that another tube made of the same material is inserted into the supporting flexible polymeric tube of cylindrical shape, the wall of which has at least three semicircular corrugations equidistant from each other in the direction longitudinal to the central axis, while the waveguide is hollow the core is bounded by a corrugated boundary, which is a surface with negative curvature.
Заявляемая совокупность существенных признаков (опорная гибкая полимерная трубка с защитным слоем на поверхности, полимерная трубка со стенкой в виде равномерно расположенных полукруглых гофров в продольном к центральной оси направлении, полая сердцевина отрицательной кривизны) позволяет увеличить диаметр волноводной сердцевины, по сравнению с прототипом, при неизменном внешнем диаметре волновода, тем самым повышая гибкость волновода и уменьшая потери передаваемого ТГц излучения.The claimed set of essential features (a supporting flexible polymer tube with a protective layer on the surface, a polymer tube with a wall in the form of uniformly spaced semicircular corrugations in the longitudinal direction to the central axis, a hollow core of negative curvature) allows an increase in the diameter of the waveguide core, in comparison with the prototype, with the same the outer diameter of the waveguide, thereby increasing the flexibility of the waveguide and reducing the loss of transmitted THz radiation.
Сущность предложенной конструкции состоит в том, что полая сердцевина и граница с отрицательной кривизной в точности повторяют форму полой сердцевины прототипа, а целые капилляры, формирующие отражающую оболочку, заменены на «полукапилляры» путем придания стенкам гофрированного вида. Тем самым, диаметр полой волноводной сердцевины увеличивается на величину, равную диаметру одного капилляра отражающей оболочки, по сравнению с конструкцией прототипа при одном и том же значении внешнего диаметра волновода. В частности, для волновода с оболочкой из шести гофрированных частей, радиус волноводной полости увеличивается в два раза по сравнению со случаем, когда отражающая оболочка образована из 6-ти целых капилляров. Для волновода из 8-ми гофрированных частей, центральная полость увеличивается в 1.62 раза. В ТГц диапазоне увеличение диаметра центральной воздушной области существенно уменьшает затухание в волноводе, связанное с поглощением в материале стенок.The essence of the proposed design lies in the fact that the hollow core and the border with negative curvature exactly repeat the shape of the hollow core of the prototype, and the whole capillaries forming the reflecting shell are replaced by "half capillaries" by giving the walls a corrugated appearance. Thus, the diameter of the hollow waveguide core increases by an amount equal to the diameter of one capillary of the reflecting cladding, as compared to the prototype design at the same value of the outer diameter of the waveguide. In particular, for a waveguide with a cladding of six corrugated parts, the radius of the waveguide cavity is doubled in comparison with the case when the reflecting cladding is formed of 6 intact capillaries. For a waveguide of 8 corrugated parts, the central cavity increases by a factor of 1.62. In the THz range, an increase in the diameter of the central air region significantly reduces the attenuation in the waveguide associated with absorption in the wall material.
Важным преимуществом данного подхода является также метод изготовления, суть которого состоит в придании определенным образом гофрированных форм стенкам одного целого капилляра цилиндрической формы. Что касается прототипа, то он изготавливается стекловолоконным методом «сборки и перетяжки», где первоначальная заготовка собирается путем укладки отдельных капилляров в количестве от трех и более в опорную трубу, после чего ее под нагревом перетягивают в малые поперечные размеры. An important advantage of this approach is also the manufacturing method, the essence of which is to impart corrugated shapes to the walls of one whole capillary in a cylindrical shape in a certain way. As for the prototype, it is made by the fiberglass "assembly and constriction" method, where the initial workpiece is assembled by placing three or more individual capillaries in a support tube, after which it is pulled under heating into small transverse dimensions.
Процесс является сложным и прецизионным, в ходе которого необходимо добиться одновременного спекания капилляров друг с другом и с опорной трубой без искажения исходной формы поперечного сечения заготовки. Известно, что эти сложности вносят заметную ошибку в стабильность геометрических размеров полимерного ТГц волновода вдоль его длины.The process is complex and precise, during which it is necessary to achieve simultaneous sintering of the capillaries with each other and with the support tube without distorting the original shape of the cross-section of the workpiece. It is known that these difficulties introduce a noticeable error in the stability of the geometric dimensions of a polymer THz waveguide along its length.
Таким образом, изобретение позволяет при фиксированных значениях общего диаметра цилиндрического волновода, степени отрицательной кривизны и толщины стенок волноводной границы увеличить диаметр полой сердцевины, повысить точность изготовления, а, следовательно, одновременно увеличить гибкость и эффективность волноводной передачи ТГц излучения.Thus, the invention makes it possible, at fixed values of the total diameter of the cylindrical waveguide, the degree of negative curvature and wall thickness of the waveguide boundary, to increase the diameter of the hollow core, to increase the manufacturing accuracy, and, therefore, to simultaneously increase the flexibility and efficiency of the waveguide transmission of THz radiation.
Осуществление изобретения Implementation of the invention
Гибкий ТГц волновод содержит опорную трубу 1 из полимерного материала, например полипропилен, полиэтилен, топас (фиг.1). Другая труба 3 из такого же материала, стенки которой имеют, по меньшей мере, три равноудаленных гофра полукруглой формы в продольном к центральной оси направлении вставлена внутрь опорной трубы 1 таким образом, что острийные части (граница между двумя соседними гофрами) плотно упираются к внутренней поверхности трубы 1. Соответственно гофрированная форма стенок трубы 3 создает в своей внутренней части волноводную сердцевину 2 с границей, которая представляет собой поверхность с отрицательной кривизной. Кроме того, волновод имеет внешнее покрытие 4 из металла, капрона или другого материала, не пропускающего ТГц излучение.Flexible THz waveguide contains a
Принцип работы терагерцового полимерного волновода. The principle of operation of a terahertz polymer waveguide.
ТГц излучение фокусируется оптической системой на полую сердцевину входного торца волновода. В волноводе (для области спектра в окне прозрачности) формируется единственная мода в области центральной оси, устойчивость и затухание которой определяется геометрическими параметрами поперечного сечения, такими как, диаметр полой сердцевины R (фиг.1), толщина стенки гофрированной границы d, а также глубиной гофра h, после чего энергия ТГц излучения распространяется от входного торца к выходному торцу. THz radiation is focused by an optical system onto the hollow core of the input end of the waveguide. In the waveguide (for the spectral region in the transparency window), a single mode is formed in the region of the central axis, the stability and attenuation of which is determined by the geometric parameters of the cross section, such as the diameter of the hollow core R (Fig. 1), the wall thickness of the corrugated boundary d, as well as the depth corrugation h, after which the THz radiation energy propagates from the input end to the output end.
На фиг. 3 на одном графике представлены спектры ТГц широкополосного импульса падающего на входной торец волокна (черная линия) и прошедшего через 20 см длины волновода спектра (красная линия). Видно, что прошедший спектр имеет зонную структуру благодаря резонансному отражению лучей от стенок сердцевины - оболочка. FIG. 3, one graph shows the THz spectra of a broadband pulse incident on the input end of the fiber (black line) and transmitted through 20 cm of the spectrum waveguide length (red line). It can be seen that the transmitted spectrum has a band structure due to the resonant reflection of rays from the walls of the core - the cladding.
Положение окон прозрачности на спектре пропускания можно оценить из выражения:The position of the transparency windows in the transmission spectrum can be estimated from the expression:
d/λ=(0.5k-0.25)/(ε-1)1/2, (1),d / λ = (0.5k-0.25) / (ε-1) 1/2 , (1),
где d – толщина гофрированных стенок, λ– длина волны излучения, ε – диэлектрическая проницаемость полимера, k – целые числа 0,1,2… – номера окон прозрачности. В частности, для k=2 с учетом, что для большинства полимеров ε=2.25, из этой формулы получим, что d/λ=0.67. where d is the thickness of the corrugated walls, λ is the radiation wavelength, ε is the dielectric constant of the polymer, k are
Для реального волновода эта величина составляет 0.7-0.8 (фиг. 4, правая ось) и как показали эксперименты и расчёты, она сильно зависит от радиуса волноводной жилы (фиг. 4, левая ось). Поскольку в используемых полимерных материалах преломление практически не зависит от частоты излучения, а поглощение мало, то геометрические размеры волновода масштабируются с длиной волны. Для проектирования волноводов удобно использовать нормированную на длину волны зависимость потерь от радиуса и толщины стенок для ряда окон прозрачности. Фиг. 4 демонстрирует данную зависимость, из которой видно, в какой степени увеличение радиуса центральной жилы R понижает поглощение Im(β). В зависимости от того, какие ТГц частоты передавать при проектировании волновода, необходимо находить оптимальный компромисс между гибкостью (~1/R) и потерями (~Im(β). В частности, для передачи частоты 3ТГц, оптимальные параметры толщины стенки d и радиуса сердцевины R составили 70 мкм и 435 мкм, соответственно. Потери мощности на выходе волновода длины 30см при радиусе изгиба в 7см не превысили 20%.For a real waveguide, this value is 0.7-0.8 (Fig. 4, right axis) and, as shown by experiments and calculations, it strongly depends on the radius of the waveguide core (Fig. 4, left axis). Since the refraction in the used polymer materials is practically independent of the radiation frequency, and the absorption is small, the geometric dimensions of the waveguide are scaled with the wavelength. To design waveguides, it is convenient to use the wavelength-normalized dependence of losses on the radius and wall thickness for a number of transparency windows. FIG. 4 demonstrates this dependence, from which it can be seen to what extent an increase in the radius of the central vein R decreases the absorption Im (β). Depending on which THz frequencies to transmit when designing a waveguide, it is necessary to find an optimal compromise between flexibility (~ 1 / R) and losses (~ Im (β). In particular, for 3 THz frequency transmission, the optimal parameters of the wall thickness d and the core radius R were 70 µm and 435 µm, respectively, and the power loss at the output of a 30 cm long waveguide with a bend radius of 7 cm did not exceed 20%.
Терагерцовый полимерный волновод поясняется фиг. 1-5.The terahertz polymer waveguide is illustrated in FIG. 1-5.
Фиг. 1. Схематичное изображение частного случая поперечного сечения изобретения, имеющего 8 одинаковых равноудаленных гофра: 1 – опорная труба, 2 – полая волноводная сердцевина, 3 –полукруглые гофры, 4 – защитный слойFIG. 1. Schematic representation of a particular case of the cross-section of the invention, having 8 identical equidistant corrugations: 1 - support tube, 2 - hollow waveguide core, 3 - semicircular corrugations, 4 - protective layer
Фиг. 2. Фотография поперечного среза гофрированной части реальных образцов без внешней оболочки с количеством гофров 8 слева и 6 справаFIG. 2. Photo of a cross-section of the corrugated part of real samples without an outer shell with the number of
Фиг. 3. Спектры падающего и прошедшего ТГц импульсов для 20 см участка полимерного ТГц гофрированного (8 «полукапилляров») волновода с внешним диаметром 4.5 ммFIG. 3. Spectra of the incident and transmitted THz pulses for a 20 cm section of a polymeric THz corrugated (8 "half capillaries") waveguide with an outer diameter of 4.5 mm
Фиг.4. Нормированная на длину волны зависимость потерь волновода (левая ось) и оптимальной толщины гофрированной стенки (правая ось) от радиуса R. Штриховые линии – значение оптимальной толщины из аналитической формулы (1), k – номер окна прозрачности. Fig. 4. Wavelength-normalized dependence of the waveguide losses (left axis) and the optimal thickness of the corrugated wall (right axis) on the radius R. Dashed lines - the value of the optimal thickness from analytical formula (1), k - number of the transparency window.
Фиг.5. Фото, подтверждающее гибкость волновода. Fig. 5. Photo confirming the flexibility of the waveguide.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133237A RU2754713C1 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | Terahertz polymer waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133237A RU2754713C1 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | Terahertz polymer waveguide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2754713C1 true RU2754713C1 (en) | 2021-09-06 |
Family
ID=77670308
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133237A RU2754713C1 (en) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | Terahertz polymer waveguide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2754713C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2011125947A (en) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | Учреждение Российской академии наук Научный центр волоконной оптики РАН (НЦВО РАН) | FIBER FIBER WITH A HOLE HOLE AND A MICROSTRUCTURED SHELL |
| WO2014199048A1 (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-18 | Universite De Limoges | Hollow core waveguide with optimized contour |
| GB2526879A (en) * | 2014-06-06 | 2015-12-09 | Univ Southampton | Hollow-core optical fibers |
| WO2019118934A1 (en) * | 2017-12-14 | 2019-06-20 | Kapteyn-Murnane Laboratories, Inc. | Two-color wave-mixing upconversion in structured waveguides |
| CN209014757U (en) * | 2018-11-20 | 2019-06-21 | 北京交通大学 | For polarizing the hollow wave guide for keeping THz wave transmission |
| CN110579836B (en) * | 2019-07-31 | 2020-10-02 | 江西师范大学 | Multi-resonance-layer hollow optical fiber |
-
2020
- 2020-10-09 RU RU2020133237A patent/RU2754713C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2011125947A (en) * | 2011-06-24 | 2012-12-27 | Учреждение Российской академии наук Научный центр волоконной оптики РАН (НЦВО РАН) | FIBER FIBER WITH A HOLE HOLE AND A MICROSTRUCTURED SHELL |
| WO2014199048A1 (en) * | 2013-06-10 | 2014-12-18 | Universite De Limoges | Hollow core waveguide with optimized contour |
| GB2526879A (en) * | 2014-06-06 | 2015-12-09 | Univ Southampton | Hollow-core optical fibers |
| US20190101695A1 (en) * | 2014-06-06 | 2019-04-04 | University Of Southampton | Hollow-core optical fibers |
| WO2019118934A1 (en) * | 2017-12-14 | 2019-06-20 | Kapteyn-Murnane Laboratories, Inc. | Two-color wave-mixing upconversion in structured waveguides |
| CN209014757U (en) * | 2018-11-20 | 2019-06-21 | 北京交通大学 | For polarizing the hollow wave guide for keeping THz wave transmission |
| CN110579836B (en) * | 2019-07-31 | 2020-10-02 | 江西师范大学 | Multi-resonance-layer hollow optical fiber |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Назаров М.М. и др. КАПИЛЛЯРНЫЕ ВОЛНОВОДЫ ДЛЯ ДОСТАВКИ ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ И ДИАГНОТИКИ РАСТВОРОВ // В сборнике: Оптика неоднородных структур - 2019. Материалы V Международной научной конференции. 2019. С. 77-82. * |
| Шилов А.В. и др. ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА, ОБРАЗОВАННЫЕ ВОЗДУШНЫМИ КАНАЛАМИ С ГОФРИРОВАННОЙ ГРАНИЦЕЙ // В сборнике: Информационные технологии и нанотехнологии. Сборник трудов ИТНТ-2018. Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева. 2018. С. 114-120. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230358948A1 (en) | Hollow-core fibre and method of manufacturing thereof | |
| Cruz et al. | 3D Printed Hollow Core Fiber with Negative Curvature for Terahertz Applications. | |
| EP1297368B1 (en) | Method of manufacturing a plastic photonic crystal fiber for terahertz wave transmission | |
| US6892018B2 (en) | Micro-structured optical fiber | |
| EP3199991A1 (en) | Optical fiber | |
| US20050232560A1 (en) | Method and apparatus relating to optical fibre waveguides | |
| JP6615751B2 (en) | Waveguide with hollow core with optimized outer edge | |
| US9612395B2 (en) | Optical fiber with a variable refractive index profile | |
| Morshed et al. | Proposal of simple gas sensor based on micro structure optical fiber | |
| US8571371B2 (en) | Direct extrusion method for the fabrication of photonic band gap (PBG) fibers and fiber preforms | |
| CN111435187B (en) | Hollow negative curvature photonic crystal fiber with high birefringence and low loss | |
| CN101504471A (en) | Production method for photonic crystal fiber with long period gratings | |
| CN115047560A (en) | Hollow core optical fiber | |
| CN103472530A (en) | Large-core-diameter bend insensitive energy transmitting optical fiber | |
| RU2754713C1 (en) | Terahertz polymer waveguide | |
| CN212181075U (en) | Layered microstructure porous optical fiber terahertz low-loss waveguide | |
| Liu et al. | Long period grating imprinted on a flat-shaped plastic optical fiber for refractive index sensing | |
| CN102607610A (en) | Terahertz porous fiber evanescent wave sensing device | |
| CN116783523A (en) | Antiresonant optical component and method for producing same | |
| CN102354017B (en) | Terahertz transmission fiber | |
| MATĚJEC et al. | Preparation and characterization of Bragg fibers for delivery of laser radiation at 1064 nm | |
| Islam et al. | A comparative analysis between low loss kagome structured THz hollow core and porous core PCF | |
| Kobayashi et al. | Microstructured tube-leaky glass waveguide for delivery of high-powered Er: YAG laser | |
| Yu et al. | A new generation of plastic optical fibers and its functional exploiting | |
| CN112859245B (en) | Double-core terahertz optical fiber coupler |