CN103645535B - 一种高双折射太赫兹光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太赫兹光纤，包括层状介质（1）和介质圆管（3），其特征在于，所述层状介质（1）分别以两个方向等间隔的排布在介质圆管（3）内，且两个方向的层状介质（1）在介质圆管（3）中心形成菱形交叉结构，所述两个方向相交所形成的锐角θ的范围为：40^o≤θ≤70^o；所述菱形交叉结构与所述介质圆管（3）形成四个空气孔（4）；所述层状介质（1）固定于介质圆管（3）上；所述菱形交叉结构部分的层状介质（1）和空气层（2）为纤芯，所述正交结构以外的层状介质（1）、空气层（2）和介质圆管（3）和空气孔（4）为包层。整体呈全内反射结构。该光纤适合太赫兹波传输，具有低损耗，高双折射率的优点。

Description

一种高双折射太赫兹光纤

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及传输太赫兹波的光纤。

背景技术

太赫兹( Terahertz, THz) 通常是指频率在0. 1~ 10 THz范围内的电磁波, 其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz 辐射在很多领域,如通信、传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力。近年来，越来越多的国内外课题组进行了低损耗THz 波导的研究， 由于材料对THz波有很强的吸收，降低材料吸收损耗是人们研究THz波导的重点，现有的光纤设计有亚波长光纤，多孔光纤和空心光纤等。其主要思想是将纤芯模能量更多的分布于空气中，从而有效的降低材料吸收损耗。

由于高双折射光纤在光信号检测与处理等领域有着重要的应用，最近越来越多的国内外课题组进行了低损耗高双折射THz 波导的研究。Haibin Chen等提出了一种高双折射THz多孔光纤，其纤芯和纤芯内空气孔形状均为椭圆型，因此光纤具有高的双折射特性，但此纤芯和纤芯内空气孔的非圆形给光纤制备带来了困难[Haibin Chen,et al., “Squeezed lattice elliptical-hole terahertz fiber with high birefringence,” Applied Optics, 2009, 48(20): 3943]。鉴于此，文献[Daru Chen, et al., “Highly birefringent terahertz fibers based on super-vell structure,” Journal of lightwave technology, 2010, 28(12): 1858]提出了一种新的具有超单元结构的高双折射THz多孔光纤，由圆形空气孔组成的哑铃型或菱形型结构单元为光纤引入了高双折射特性，并且每个空气孔均为圆形，利于光纤拉制。文献[S. Atakaramians,et al., “THz porous fibers: design, fabrication and experimental characterization,”Opt. Express, 2009, 17(16): 14053]公开了一种基于矩形孔结构的高双折射多孔光纤，其双折射可达0.012。文献[付晓霞等，“用于太赫兹波传输的低损耗、高双折射光纤研究，”物理学报，2011，60(7): 074222]对其结构进行了改造和优化，提高了其双折射了特性。但以上所提出了的高双折射THz光纤可归结为多孔光纤，都以多孔纤芯外的空气为包层，因此其THz波传输特性易受纤芯外环境的干扰，不便接触，不易控制。文献[M. Cho,et al., “Highly birefringent terahertz polarization maintaining plastic photonic crystal fibers,” Opt. Express, 2008, 16(1): 7]提出了纤芯由两个实芯棒组成的高双折射太赫兹光纤，THz波传输特性不易受外界干扰，其双折射可达0.021。但纤芯传导模主要是在基质材料中传输，其吸收损耗无法降低。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供一种能实现低损耗、宽带和免受外部干扰的高双折射THz波微结构光纤。

本发明的技术方案是：一种高双折射太赫兹光纤，包括层状介质和介质圆管，所述层状介质分别以两个方向等间隔的排布在介质圆管内，且两个方向的层状介质在介质圆管中心形成菱形交叉结构，所述两个方向相交所形成的锐角θ的范围为：40^o≤θ≤70^o；所述菱形交叉结构与所述介质圆管形成四个空气孔；所述层状介质固定于介质圆管上；所述菱形交叉结构部分的层状介质和空气层为纤芯，所述正交结构以外的层状介质（1）、空气层和介质圆管和空气孔为包层.

层状介质排布周期为Λ，介质层宽度为d，介质圆管内直径为D，厚度为D₁。

如介质层排布周期为Λ不变，其宽度d减小可降低纤芯空气填充因子f₁，从而达到减小材料吸收损耗的目的，但是宽度d过窄会增加制作难度，同时也会减小f₁与f₂之间的差，增加限制损耗，因此这里要求介质层宽度d≥10μm，。

为保证纤芯基模被有效的限制在纤芯中，要求f₁与f₂的比值低于0.9。

为获得低损耗高双折射值的光纤，要求40^o≤θ≤70^o。

本发明的技术效果是：纤芯空气填充因子可表示为f₁=(Λ-d)²/Λ² ，包层中层状介质区域的空气填充因子为f₂=(Λ-d)/Λ, f₁<f₂，纤芯传导模可有效的束缚在纤芯中，光纤外环境的变化对THz波的传输不产生影响，便于在实际中的应用。纤芯和纤芯内的空气孔均为平行四边形，纤芯基模具有高双折射特性。另外因为纤芯是多孔的，纤芯模能量可更多的分布于空气孔中，有效的降低了吸收损耗，可实现THz波长距离的传输。外层较厚的介质圆管可稳定光纤结构，便于光纤制作。

附图说明

图1为本发明的高双折射光纤结构示意图；

图2为图1实施例的双折射随夹角θ的变化曲线图；

图3为图1实施例的吸收损耗随夹角θ的变化曲线图；

图4为图1实施例的限制损耗随夹角θ的变化曲线图；

图5为图1实施例的双折射随频率的变化曲线图；

图6为图1实施例的吸收损耗随频率的变化曲线图；

图7为图1实施例的限制损耗随频率的变化曲线图；

图8为图1实施例的双折射随周期Λ的变化曲线图；

图9为图1实施例的吸收损耗随周期Λ的变化曲线图；

图10为图1实施例的限制损耗随周期Λ的变化曲线图；

图11为图1实施例的x偏振模电场场强分布图；

图12为图1实施例的y偏振模电场场强分布图。

具体实施方式

图1给出了本发明的多孔光纤的横截面示意图，光纤包括纤芯和包层，周期性分布的层状介质1和空气层2交替排布，排布方向与x轴成θ/2角，在关于x轴对称的位置排布相同的结构，并通过外侧的介质圆管3组成稳定结构。相交部分作为光纤的纤芯，相交部分以外的层状介质1、空气层2、外侧的介质圆管3和四个大的空气孔4为光纤包层，整体呈全内反射结构。纤芯空气填充因子可表示为f₁=(Λ-d)²/Λ² ，包层中层状介质区域的空气填充因子为f₂=(Λ-d)/Λ, f₁<f₂，纤芯传导模可有效的束缚在纤芯中。

空气孔内填充空气，折射率为n_air=1.0，光纤的基质材料选为聚四氟乙烯，其折射率n=1.5，材料吸收损耗选为130dB/m。

基模的吸收损耗表示为：

其中, Sz 为z方向的坡印廷矢量，下标x和total分别代表材料区域和总区域。

实施例一：

多孔纤芯光纤的结构如图1所示，层状的聚四氟乙烯宽度=20μm时，周期Λ=60μm，四氟乙烯圆管内直径为D=1400μm，四氟乙烯圆管厚度为D₁=200μm。

图2给出了双折射随夹角θ的变化曲线，从图中可看出，当θ为90^o时，双折射为0，随着θ角的变小，双折射开始增大，当θ=30^o时，双折射可达0.072，引起高双折射的原因是随θ角的变小x偏振模能量在材料中的比例增加而y偏振模能量在材料中的比例降低，此特性也引起x偏振模吸收损耗的增加和y偏振模吸收损耗的降低，如图3所示。图4给出了两个偏振模的限制损耗随夹角θ的变化，随着θ的降低，x偏振模的限制损耗变化不大，接近于零损耗，y偏振模的限制损耗增加，但即使在θ为30^o时，y偏振模的限制损耗才仅仅为0.0000027dB/cm，此值远小于吸收损耗的量级，对总损耗影响不大。两偏振模可被有效的限制在纤芯中。

由于x偏振模吸收损耗随θ的降低而增加，为获得低损耗的双折射光纤，这里要求θ≥40^o。双折射随着θ的增加而降低，为获得具有高双折射的光纤，这里要求θ≤70^o。

固定角度θ=40^o，双折射随频率的变化如图5所示，在0.5-1.6THz范围内，双折射保持在10^-2量级。图6展示了吸收损耗随频率的变化，随着频率的增加，两偏振模的吸收损耗均增加，这是由于纤芯基模能量在材料中的分布逐渐增加的原因，在1.6THz处，x偏振模吸收损耗为0.74dB/cm, y偏振模吸收损耗为0.57dB/cm。图7展示了限制损耗随频率的变化，对于x偏振模，其限制损耗几乎接近于零损耗，而对于y偏振模，只有在频率小于0.7THz的地方，其限制损耗才会逐渐增加，因此在0.7-1.6THz范围内，THz波可在此光纤中低损耗传输，并且具有高双折射特性。

固定角度θ=40^o，频率为1THz, 图8给出了双折射随排布周期Λ的变化曲线，随着Λ的增加，双折射数值先增大，增大到最大值后逐渐下降，但即使在Λ=110μm处，双折射值仍可达到0.62。层状的聚四氟乙烯宽度d不变，Λ增大，则现在空气填充因子f₁增大，从而吸收损耗会减小。图9给出了吸收损耗随排布周期Λ的变化曲线，随着Λ的增大，两偏振模的吸收损耗都随之降低。图10给出了限制损耗随排布周期Λ的变化曲线，对于x偏振模，其模能量在材料中的比例相对较多，因此其限制损耗几乎不发生变化，限制损耗远低于吸收损耗，对总损耗影响不大。对于y偏振模，随着排布周期Λ的增加，其限制损耗逐渐增加，在Λ=110μm处，y偏振模的限制损耗为0.00132dB/cm，仍比限制损耗小两个数量级。

在这里为保持纤芯基模具有低的限制损耗，要求Λ≤110μm，另外为保证纤芯基模具有低的吸收损耗，要求Λ≥60μm。

层状的聚四氟乙烯宽度=20μm周期Λ=60μm，角度θ=40^o，频率为1THz时，x偏振模和y偏振模的电场场强分布图分别由图11和图12所示，从图中可看出x偏振模能量在材料中的分布比例高于y偏振模，因此可得到高的双折射率，同时x偏振模和y偏振模被有效的限制在光纤纤芯中传输，THz波在光纤中传输不受外界环境干扰，这点优于多孔光纤。

上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这个实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (5)

1.一种高双折射太赫兹光纤，包括层状介质(1)和介质圆管(3)，其特征在于，所述层状介质(1)分别以两个方向等间隔的排布在介质圆管(3)内，且两个方向的层状介质(1)在介质圆管(3)中心形成菱形交叉结构，所述两个方向相交所形成的锐角θ的范围为：40°≤θ≤70°；所述菱形交叉结构与所述介质圆管(3)形成四个空气孔(4)；所述层状介质(1)固定于介质圆管(3)上；所述菱形交叉结构部分的层状介质(1)和空气层(2)为纤芯，所述菱形交叉结构以外的层状介质(1)、空气层(2)和介质圆管(3)和空气孔(4)为包层。

2.根据权利要求1所述的一种高双折射太赫兹光纤，其特征在于：所述的层状介质(1)的宽度d≥10μm。

3.根据权利要求1所述的一种高双折射太赫兹光纤，其特征在于：所述层状介质(1)排布周期Λ应为：60μm≤Λ≤110μm。

4.根据权利要求1所述的一种高双折射太赫兹光纤，其特征在于：要求f₁/f₂≤0.9，其中，纤芯空气填充因子为f₁＝(Λ-d)²/Λ²，包层中层状介质区域的空气填充因子为f₂＝(Λ-d)/Λ,f₁<f₂，层状介质排布周期为Λ，层状介质层宽度为d。

5.根据权利要求1所述的一种高双折射太赫兹光纤，其特征在于：所述的层状介质在两个方向上数量相同。