專利名稱：一種高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲光波導(dǎo)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖。
背景技術(shù)：
太赫茲輻射在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間，其震蕩頻率范圍為 0. lTHz-10THz。由于介電晶體的晶格共振、分子旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)共振以及熱輻射線等都發(fā)生在太 赫茲頻譜范圍，太赫茲光譜可以作為材料表征、指紋鑒定的有效手段。且太赫茲波具有很高 的空間分辨率和時(shí)間分辨率、很強(qiáng)的穿透性，因此太赫茲成像技術(shù)將會(huì)成為醫(yī)療診斷、生物 研究、電子器件檢驗(yàn)，以及生化武器、毒品、爆炸物探測(cè)的強(qiáng)大工具。 為了使太赫茲系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、集成化，以便于廣泛應(yīng)用于傳感、成像等方 面，易于集成的太赫茲波導(dǎo)器件得到了越來(lái)越多的關(guān)注。太赫茲波導(dǎo)器件將在自由空間傳 輸?shù)奶掌澆s束在器件之中，使太赫茲波的傳輸具有可控的路徑和模式尺寸。在此基礎(chǔ) 上，太赫茲波導(dǎo)器件還可具有脈沖整形、濾波、調(diào)制等功能，從而為太赫茲系統(tǒng)的集成化提
供基礎(chǔ)。 作為太赫茲波傳輸器件，傳輸損耗、色散、模場(chǎng)面積等是太赫茲波導(dǎo)性能的主要參 數(shù)。現(xiàn)在研究的太赫茲波導(dǎo)主要有金屬材料構(gòu)成的金屬線波導(dǎo)、金屬管波導(dǎo)以及由介電材 料構(gòu)成的藍(lán)寶石光纖、塑料光纖、光子晶體光纖，亞波長(zhǎng)多孔光纖等。金屬波導(dǎo)在金屬之外 的空氣中傳輸太赫茲，因此對(duì)模場(chǎng)的限制能力差，以致彎曲損耗較高。介質(zhì)波導(dǎo)將太赫茲限 制在對(duì)太赫茲吸收較大的介電材料中，存在較高的傳輸損耗。 太赫茲光子晶體光纖將具有波長(zhǎng)尺寸的空氣孔周期排列，實(shí)現(xiàn)太赫茲波的傳輸。 根據(jù)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的不同，太赫茲光子晶體光纖分為兩種。 一種是光纖中心為高折射 率介質(zhì)材料，這種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖帶寬較寬，但是損耗相對(duì)較大。另一種光纖中心為空 氣孔結(jié)構(gòu)，這種光子晶體光纖采用光子晶體帶隙效應(yīng)傳輸太赫茲波，雖然損耗較低，但是只 能實(shí)現(xiàn)窄帶的太赫茲傳輸。 亞波長(zhǎng)的多孔太赫茲光纖，與同樣具有多孔結(jié)構(gòu)的太赫茲光子晶體光纖最大的不 同就是其光纖中的多孔孔徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，整個(gè)光纖僅為亞波長(zhǎng)尺寸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光子晶體光 纖，同時(shí)也不具有光子晶體的帶隙效應(yīng)。除此之外，該種光纖的纖芯包含多孔結(jié)構(gòu)，太赫茲 波在孔中傳輸，而光子晶體光纖則是包層為多孔結(jié)構(gòu)，太赫茲波在多孔結(jié)構(gòu)所包圍的纖芯 中傳輸。亞波長(zhǎng)的多孔太赫茲光纖將太赫茲約束在具有超低吸收損耗的空氣孔中，對(duì)太赫 茲波能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗傳輸和亞波長(zhǎng)模場(chǎng)限制。蒙特利爾工學(xué)院的哈桑尼等通過(guò)多亞波長(zhǎng)空 氣孔的方式將太赫茲光纖的損耗降低為纖芯材料吸收損耗的1/10-1/20，且由于光纖將太 赫茲限制于空氣孔中傳輸，在彎曲直徑為3cm時(shí)，損耗也幾乎不會(huì)改變。阿德萊德大學(xué)的等 采用仿真計(jì)算的方式證明了亞波長(zhǎng)的多孔太赫茲光纖具有低損耗和高模式約束特性。
在光通信波長(zhǎng)下，光子晶體光纖可以通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)提供很高的模式雙折射，從 而實(shí)現(xiàn)保偏光纖，甚至單模單偏振的光纖。光子晶體光纖可以提供的模式雙折射通常可以達(dá)到10—3數(shù)量級(jí)。最近，根據(jù)一些理論分析和仿真計(jì)算的結(jié)果，有報(bào)道指出如果在光子晶體
光纖的包層或者芯區(qū)中使用橢圓形空氣孔，其模式雙折射還可以進(jìn)一步提高。 在太赫茲時(shí)域頻譜系統(tǒng)以及太赫茲成像系統(tǒng)中，太赫茲的接收器通常具有偏振敏
感特性，因此如何實(shí)現(xiàn)保偏的太赫茲光纖或波導(dǎo)器件，對(duì)于集成化的太赫茲時(shí)域頻譜和成
像系統(tǒng)尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖。 本發(fā)明提供了一種高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖。光纖的橫斷面包括包層和纖芯。包層為包圍纖芯的外部區(qū)域，組成材料為空氣，纖芯的橫斷面外邊界為圓形，纖芯由光纖基底材料和分布在其內(nèi)部的圓形空氣孔以及橢圓形空氣孔組成，空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，中心空氣孔位于纖芯的中心，每相鄰的三個(gè)空氣孔的中心為一個(gè)正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，除中心空氣孔外，外圍的空氣孔中心可按照距離纖芯中心的遠(yuǎn)近分別連接成以纖芯的中心為中心的多個(gè)正六邊形，橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸平行或者垂直于正六邊形的一條邊，且所有橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸方向一致，橢圓形空氣孔關(guān)于以纖芯中心為原點(diǎn)、橢圓形空氣孔的短軸和長(zhǎng)軸方向?yàn)闄M縱坐標(biāo)方向的直角坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸及縱坐標(biāo)軸均呈對(duì)稱分布。 所述纖芯的直徑大于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的0.7倍，且小于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的2倍。 所述空氣孔構(gòu)成的以纖芯的中心為中心的正六邊形的個(gè)數(shù)要大于2個(gè)。 所述圓形空氣孔的直徑大于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的0. 05倍，且小于所傳輸
的太赫茲波的波長(zhǎng)的0.2倍。 所述圓形空氣孔的直徑與孔中心間距的比值大于0. 5，且小于0. 9。 所述橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸大于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的0. 05倍，且小于所傳輸
的太赫茲波的波長(zhǎng)的O. 2倍，長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度比例大于1，且小于4，各個(gè)橢圓形空氣孔大
小一致。 所述橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸與孔中心間距的比值大于0. 5，且小于0. 9。 所述光纖基底材料是在太赫茲波段具有低損耗的介電材料，如聚四氟乙烯，聚乙
烯，聚碳酸酯。
本發(fā)明的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖將太赫茲波束縛在在太赫茲波段吸收損耗很低空氣孔中，而光子晶體光纖則是通過(guò)空氣孔構(gòu)成的包層將太赫茲波束縛在光纖纖芯具有吸收損耗的光纖基底材料中，因此所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖具有在太赫茲波段傳輸損耗低的優(yōu)點(diǎn)。 2.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖將橢圓形結(jié)構(gòu)加入到光纖纖芯的空氣孔中，使得TE和TM兩個(gè)模式的模場(chǎng)分布不同的特性，從而具有不同的有效折射率，產(chǎn)生高雙折射。 3.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖中的空氣孔直徑遠(yuǎn)小于所傳輸?shù)奶掌澆ㄩL(zhǎng)，不同于光子晶體光纖中空氣孔直徑與傳輸波長(zhǎng)可比擬。所設(shè)計(jì)的高雙折
4射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖可以將所傳輸太赫茲模式尺寸限制在亞波長(zhǎng)，具有亞波長(zhǎng)的場(chǎng)束縛能力。這種特性使得所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖可用于亞波長(zhǎng)尺寸太赫茲器件的制作，從而用于太赫茲的傳感探測(cè)及通信領(lǐng)域。 4.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖在較寬的太赫茲頻譜范圍內(nèi)具有較大的高雙折射，可用于寬帶的太赫茲系統(tǒng)中。
圖1是高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖橫斷面示意圖。101為包層，102為光纖纖芯，D為光纖纖芯外徑，103和104為光纖纖芯內(nèi)的空氣孔，A為孔中心間距，其中103表示所有圓形空氣？L d為圓形空氣孔直徑，104表示所有橢圓形空氣？L a為橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸，b為橢圓形空氣孔短軸。 圖2是使用全矢量有限元方法計(jì)算得到高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖的TE和
TM模式的z方向玻印廷矢量Sz分布圖，其中z方向?yàn)榇怪庇诩埫娴姆较颉?圖3是高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖在0. 1THz-1THz頻率范圍的雙折射曲線。
具體實(shí)施例方式
在本實(shí)施方式中，如圖1所示，所設(shè)計(jì)高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖光纖的包層101為空氣，光纖纖芯102的基底材料為聚四氟乙烯材料，它在0. 5THz的折射率為1. 5，損耗為0. 3/cm。纖芯中的空氣孔103和104的排列方式如圖1所示。除中心圓形空氣孔外，外圍的空氣孔的中心可組成三個(gè)以纖芯的圓心為中心的正六邊形，其中組成最內(nèi)層正六邊形的空氣孔為橢圓形空氣孔。為保證光纖結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)尺寸，圓形空氣孔直徑d = 0. 15入=90iim，橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸a = d = 90iim，短軸b = 0. 5d = 45iim，孔中心間距A =1. 25d = 112. 5iim，光纖纖芯的直徑D = 7A = 787. 5 ii m。 圖2是使用全矢量有限元方法計(jì)算上述高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖的TE模式和TM模式的z方向玻印廷矢量Sz分布圖，其中z方向?yàn)榇怪庇诩埫娴姆较颉?br>
從圖2的模場(chǎng)分布圖可以看出，TE模式相對(duì)于TM模式，能量更多的集中在橢圓空氣孔中，TM模式的能量更多集中在中心圓孔及周圍的介質(zhì)中。這是由于TE模式電場(chǎng)沿水平方向分布，橢圓孔在水平方向的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，也小于其它圓形空氣孔，且折射率小于周圍介質(zhì)，可近似看作狹縫波導(dǎo)，因此能量集中分布在橢圓形的空氣孔中。TM模式電場(chǎng)沿垂直方向分布，橢圓孔在垂直方向上與其他圓空氣孔尺寸一致，不具備狹縫波導(dǎo)的特性，使得能量更多的集中在光纖中心。由于兩個(gè)模式的模場(chǎng)分布范圍的不同，兩個(gè)模式的有效折射率不同。TE模式更多分布在空氣中，因此模式有效折射率較低，TM模式相對(duì)更多分布在介質(zhì)中，因此模式有效折射率較高，進(jìn)而產(chǎn)生了雙折射特性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，加入橢圓孔之后TE模式的有效折射率riTM二 1. 1618， TM模式的有效折射率riTM二 1. 1704，雙折射|nTM-nTE| =0.0086。 采用如下公式分別計(jì)算圖2中兩種模場(chǎng)的尺寸Di
IK(x，》血辦 ￡>,=J^~^~^~"
5
其中i = X，Y時(shí)，Di分別表示在x和y方向模式尺寸。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到圖2所示TE模式Dx = 141. 3 ii m， DY = 151 ii m， TM模式Dx = 151. 5 ii m， DY = 145. 2 ii m?？紤]到所計(jì)算的區(qū)域在x和y方向均為所設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)的1/2，因此實(shí)際模場(chǎng)尺寸為2*Di?？梢钥闯觯?chǎng)尺寸約為所傳輸太赫茲波長(zhǎng)的一半，為亞波長(zhǎng)的多孔太赫茲光纖。 圖3是高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖在0. ITHz-lTHz頻率范圍所述高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖的雙折射曲線。 由圖3可看出，所述高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖在0. 3THz至ITHz都有
> 10—3的高雙折射，且隨著太赫茲頻率的增大，雙折射不斷增加，在ITHz處，雙折射高達(dá)
1. 72*10—2，因此所設(shè)計(jì)高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖可應(yīng)用于寬帶太赫茲系統(tǒng)。 最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的高雙折射亞波長(zhǎng)多
孔太赫茲光纖結(jié)構(gòu)，但非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技
術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案
的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖。光纖的橫斷面包括包層和纖芯。包層為包圍纖芯的外部區(qū)域，組成材料為空氣，纖芯的橫斷面外邊界為圓形，纖芯由光纖基底材料和分布在其內(nèi)部的圓形空氣孔以及橢圓形空氣孔組成，空氣孔在光纖基底材料中呈周期性排列，中心空氣孔位于纖芯的中心，每相鄰的三個(gè)空氣孔的中心為一個(gè)正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，除中心空氣孔外，外圍的空氣孔中心可按照距離纖芯中心的遠(yuǎn)近分別連接成以纖芯的中心為中心的多個(gè)正六邊形，橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸平行或者垂直于正六邊形的一條邊，且所有橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸方向一致，橢圓形空氣孔關(guān)于以纖芯中心為原點(diǎn)、橢圓形空氣孔的短軸和長(zhǎng)軸方向?yàn)闄M縱坐標(biāo)方向的直角坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸及縱坐標(biāo)軸均呈對(duì)稱分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述纖芯的直徑大于所傳輸?shù)奶?茲波的波長(zhǎng)的0. 7倍，且小于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的2倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述空氣孔構(gòu)成的以纖芯的中心為 中心的正六邊形的個(gè)數(shù)要大于2個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓形空氣孔的直徑大于所傳輸 的太赫茲波的波長(zhǎng)的0. 05倍，且小于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的0. 2倍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓形空氣孔的直徑與孔中心間 距的比值大于0.5，且小于0.9。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述橢圓形空氣孔長(zhǎng)軸大于所傳輸 的太赫茲波的波長(zhǎng)的0. 05倍，且小于所傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL(zhǎng)的0. 2倍，長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng) 度比例大于1，且小于4，各個(gè)橢圓形空氣孔大小一致。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述橢圓形空氣孔的長(zhǎng)軸與孔中心 間距的比值大于0. 5，且小于0. 9。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光纖基底材料必須是在太赫茲 波段具有低損耗的介電材料，如聚四氟乙烯，聚乙烯，聚碳酸酯。
全文摘要
本發(fā)明涉及太赫茲波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖。所述高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖在光纖纖芯中加入尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的橢圓形空氣孔結(jié)構(gòu)，在太赫茲波段提供高雙折射的同時(shí)還具有亞波長(zhǎng)的模式束縛能力，且在較寬的太赫茲帶寬內(nèi)，均具有高雙折射特性。該高雙折射亞波長(zhǎng)多孔太赫茲光纖能夠用于亞波長(zhǎng)尺寸太赫茲器件的制作，從而用于太赫茲的傳感探測(cè)及通信領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101788695SQ200910092510
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者安琳, 趙欣, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)