一種空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶太赫茲光子晶體光纖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲光子晶體光纖領(lǐng)域，具體涉及一種空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶太赫茲光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波(THz，ITHz = 1012Hz)通常指0.1THz?1THz范圍內(nèi)的電磁波，該范圍內(nèi)的電磁波具有獨特的優(yōu)勢:宇宙背景輻射、許多有機分子的振動轉(zhuǎn)動能級位于太赫茲波段，因而太赫茲波在成像、無損檢測、安檢、物化分析等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[1-3]。在20世紀80年代以前，由于缺少有效的太赫茲波的產(chǎn)生和檢測手段，人們對太赫茲波段了解有限。近年來，隨著半導(dǎo)體加工制備工藝和超短脈沖技術(shù)的發(fā)展以及超晶格結(jié)構(gòu)量子級聯(lián)太赫茲激光器的研宄，太赫茲波段得到了越來越廣泛的關(guān)注。
[0003]太赫茲波在自由空間中傳輸因水汽吸收而損耗非常大，同時太赫茲波的傳播方向不易控制。因此，太赫茲波導(dǎo)的研宄具有重要的意義。近年來，科研工作者研宄了太赫茲金屬波導(dǎo)、金屬絲、光子晶體波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)、塑料帶狀波導(dǎo)等不同類型的太赫茲波導(dǎo)器件[4-6]。但如何使得太赫茲波能夠低損耗、寬帶傳輸還是一個很大的挑戰(zhàn)。
[0004]光子晶體光纖又被稱為多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖[7-9]，是一種晶格常數(shù)為波長量級并帶有缺陷的二維光子晶體，這種光纖的包層是由周期性排布在基質(zhì)中的空氣孔組成的，而纖芯由一個破壞了包層周期性的缺陷構(gòu)成，這個缺陷可以是石英材料，空氣孔，也可以是更為復(fù)雜的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0005]光波導(dǎo)的光子晶體光纖大都米用恪石英材料，然而太赫茲波在石英中的衰減很大無法長距離傳輸，因此太赫茲波導(dǎo)一般為塑料材料或者其他有機材料，其中用的最多的是高密度聚乙烯(HDFE)、聚四氟乙烯(Teflon)和環(huán)烯烴共聚物(TOPAS)等材料。從原理上分，光子晶體光纖可以分為利用全內(nèi)反射、光子帶隙效應(yīng)和抑制耦合三種機理進行傳輸。利用此三種原理進行傳輸?shù)奶掌澒庾泳w光纖都有報道。
[0006]2002年，韓國浦項科技大學(xué)研宄小組報道了高密度聚乙烯(HDPE)材料制成的太赫茲光子晶體光纖，基于全內(nèi)反射原理實現(xiàn)了 0.1?3THZ的波導(dǎo)傳輸[10]。2009年意大利的L.Vincetti設(shè)計了三角形晶格空氣孔結(jié)構(gòu)的帶隙型光子晶體光纖，其背景材料為Teflon時可實現(xiàn)0.895?1.145THz帶寬的太赫茲波傳輸，其背景材料為HDPE時太赫茲波的傳輸帶寬降低至185GHz [11]。2012年，丹麥的研宄人員設(shè)計了一種低損耗多芯蜂窩晶格結(jié)構(gòu)的帶隙型太赫茲光子晶體光纖，并對該結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值計算和實驗驗證，獲得太赫茲波的傳輸頻率范圍為0.75?1.05THz [12] ?
[0007]基于三角形晶格空氣孔的空芯光子晶體光纖基于光子帶隙原理，而另一種稱為Kagome結(jié)構(gòu)的空芯光子晶體光纖的機理為抑制耦合[13，14]，即纖芯模式與包層結(jié)構(gòu)中的模式耦合不發(fā)生強烈的耦合。這種Kagome結(jié)構(gòu)指的是空氣孔間的高折射率材料結(jié)構(gòu)形成Kagome晶格排列，并不存在光子帶隙效應(yīng)。2011年，J.Anthony等設(shè)計了空芯Kagome結(jié)構(gòu)太赫茲光纖，基質(zhì)為有機材料PMMA，傳輸帶寬為0.65?1.1THz [15]?，F(xiàn)有情況下基于光子帶隙效應(yīng)的太赫茲光子晶體光纖中太赫茲波傳輸帶寬較窄的問題，急需得到解決，實現(xiàn)寬帶基模太赫茲波導(dǎo)傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶太赫茲光子晶體光纖，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)包層及纖芯內(nèi)空氣孔和孔間距的大小、材料的折射率等來改變光纖的傳輸帶寬和色散等，解決了現(xiàn)有基于光子帶隙效應(yīng)的太赫茲光子晶體光纖中太赫茲波傳輸帶寬較窄的問題，詳見下文描述:
[0009]一種空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶太赫茲光子晶體光纖，所述寬帶太赫茲光子晶體光纖包括:主體、背景材料、纖芯和包層；
[0010]所述主體上分布有所述背景材料、所述纖芯和所述包層；
[0011]其中，所述纖芯位于所述主體的中間，均勻分布于所述背景材料上；
[0012]所述主體為空氣孔構(gòu)成的Kagome晶格結(jié)構(gòu)；所述包層為空氣孔構(gòu)成的Kagome晶格結(jié)構(gòu)；
[0013]所述纖芯折射率低于所述包層的折射率。
[0014]所述纖芯為呈三角形晶格排列的19芯空氣孔構(gòu)成。
[0015]所述背景材料為環(huán)烯烴共聚物TOPAS，其折射率為1.5235。
[0016]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明設(shè)計Kagome空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶傳輸?shù)奶掌澒庾泳w光纖，有助于解決太赫茲波導(dǎo)的傳輸帶寬問題并廣泛應(yīng)用于太赫茲光譜學(xué)、太赫茲成像、太赫茲相干層析等諸多方面。本發(fā)明采用有機材料如環(huán)烯烴聚合物TOPAS作為光纖的基質(zhì)材料，該材料在太赫茲波段吸收小，能夠有效降低光纖整體損耗；Kagome空氣孔晶格構(gòu)成太赫茲光子晶體光纖的包層可設(shè)計光子帶隙較寬，通過設(shè)計空氣孔尺寸可以方便實現(xiàn)傳輸帶寬的整體調(diào)節(jié)；19芯三角形周期性排列的空氣孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成了所設(shè)計光纖的纖芯部分，對基模有良好的束縛作用，且可通過控制空氣孔直徑調(diào)諧太赫茲波的模式范圍。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的X偏振方向基模模場分布圖；
[0019]圖3為本發(fā)明的Y偏振方向基模模場分布圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的光子帶隙范圍及其傳輸基模的有效折射率分布圖。
[0021]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0022]1:主體；2:背景材料；
[0023]3:纖芯；4:包層；
[0024]D:光纖直徑；d1:纖芯空氣孔的直徑；
[0025]Λ 1:相鄰纖芯空氣孔間距；d 2:包層空氣孔的直徑；
[0026]A 2:Kagome 晶格間距。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0028]一種空氣孔晶格復(fù)合芯寬帶太赫茲光子晶體光纖，參見圖1，該寬帶太赫茲光子晶體光纖包括:主體1、背景材料2、纖芯3和包層4。主體I上分布有背景材料2、纖芯3和包層4ο
[0029]其中，纖芯3位于主體I的中間，均勻分布于背景材料2上。
[0030]主體I為空氣孔構(gòu)成的Kagome晶格結(jié)構(gòu)；背景材料2可以為多種有機材料；纖芯3為呈三角形晶格排列的19芯空氣孔構(gòu)成；包層4與空芯Kagome結(jié)構(gòu)不同，為空氣孔構(gòu)成的Kagome晶格結(jié)構(gòu)。
[0031 ] 該寬帶太赫茲光子晶體光纖，纖芯3折射率低于包層4的折射率，從而形成基于光子帶隙效應(yīng)傳導(dǎo)的光子晶體光纖。
[0032]該寬帶太赫茲光子晶體光纖的直徑為D ;纖芯3空氣孔的直徑為Cl1，相鄰纖芯3空氣孔間距為A1;包層4空氣孔的直徑為d2，Kagome晶格間距為Λ2。
[0033]本發(fā)明所采用背景材料2為環(huán)烯烴共聚物T0PAS，其折射率為1.5235。本發(fā)明可以采用MPB (MIT Photonic-Bands)軟件來計算所設(shè)計的Kagome結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的能帶結(jié)構(gòu)。
[0034]本發(fā)明可以采用基于有限元方法的COMSOL Multiphysics軟件進行理論計算，得到本發(fā)明的基模模場分布特性和有效折射率分布。
[0035]在該寬帶太赫茲光子晶體光纖中，導(dǎo)波的能量集中在纖芯3中傳輸，因此基模的模場分布是衡量光纖特性的重要標準。參見圖2和圖3，在1.5ΤΗζ處，Cl1= 65 μ m, Λ 1 =180 μ m, d2= 82.5μπι, Λ 2= 360 μ m時，X偏振方向和Y偏振方向基模的模場分布。從圖2和圖3中可以看出，兩個簡并的模場能量集中在纖芯，滿足光纖單模傳輸?shù)囊蟆?br>[0036]參見圖4，X方向為頻率，Y方向為有效折射率，虛線為帶隙范圍，實線表示所設(shè)計尺寸