CN104237999A - 宽带太赫兹波保偏传输光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明宽带太赫兹波保偏传输光纤，将椭圆空气孔或菱形空气孔加入到光纤包层中，使得TE和TM两模式的模场分布在很宽的频谱范围内不同，从而具有不同的有效折算率，产生高双折射，同时在光纤的中心引入两排圆形空气孔来改变结构的对称性，提高光纤的双折射，调节光纤的色散，从而实现宽带的低色散保偏太赫兹光子晶体光纤，光子晶体光纤双折射值能够达到10-3，甚至10-2，比传统保偏光纤至少要高一个数量级，且在很宽的频谱范围内具有很低的色散且色散曲线平坦，对于宽带太赫兹脉冲的无畸变传输非常重要。此外，通过调整光子晶体光纤横截面上空气孔的参数就可以改变光纤的结构，从而获得对色散的调节。

Description

宽带太赫兹波保偏传输光纤
技术领域
本发明属于光学太赫兹传输技术，具体涉及一种在太赫兹波传输和通信***中作为光传输路径被优先使用的光纤。 
背景技术
太赫兹波位于(电磁波谱)电磁波谱中微波和远红外波之间，许多物体的分子转动和振动能级都处于太赫兹频谱范围，因此太赫兹光谱可以作为材料表征和指纹鉴定的重要手段。此外，太赫兹波具有适中的波束宽度、宽的光谱带宽和大的多普勒频移，因此在宽带无线通信、空间通信及精细成像方面具有重要的应用价值，将成为下一代高速无线通信的重要手段。太赫兹波高分辨成像和高穿透性的优点使得其在雷达、安检等方面有极重要的应用价值。由于太赫兹波在潮湿空气中衰减很大，且普通的波导无法实现对太赫兹波无损和无畸变的传输，因此，低损耗、低色散、使用起来灵活方便且具有一定功率容量的太赫兹传输波导、技术及相关功能器件的研究成为太赫兹科技及其应用发展的迫切需求。 
太赫兹波在波导中的传输过程已经进行了大量尝试性研究，如金属材料构成的金属线波导、金属管波导以及由介电材料构成的蓝宝石光纤、塑料光纤和光子晶体光纤和亚波长多孔光纤等。金属波导在金属之外的空气中传输太赫兹波，因此对模场的限制能力差，且弯曲损耗较高。介质波导将太赫兹波限制在介质材料中，传输损耗较高。太赫兹光子晶体光纤将具有波长尺寸的空气孔进行周期性排列，实现对太赫兹波的传输。根据光子晶体光纤结构的不同，太赫兹光子晶体光纤可以分为两种；一种是光纤中心为高折射率介质材料，这种结构的光子晶体光纤带宽较宽，损耗相对较大；第二种光纤中心为空气孔结构，这种光子晶体光纤采用光子晶体带隙效应传输太赫兹波，损耗相对较低，但只能实现窄带太赫兹波传输。然而，目前所有的太赫兹保偏光纤的保偏性、低色散和低损耗只能在某一特定的波长或很窄的光谱范围内实现，因此无法实现对宽带太赫兹脉冲无损和无畸变的传输。 
光子晶体光纤可以通过特殊的结构设计提供很高的模式双折射，从而实现保 偏，甚至单模单偏振的光纤。光子晶体光纤提供的模式双折射通常可以达到10-3数量级甚至更高。在太赫兹时域频谱***以及太赫兹成像***中，太赫兹接收器通常具有偏振敏感特性，因此如何实现具有宽带保偏的太赫兹光纤和波导器件，对于实现可集成化的太赫兹时域频谱和成像***极其重要。 
发明内容
为解决背景技术中宽带太赫兹脉冲的在保偏光纤中无法传输的问题，本发明提供一种基于六角晶格的椭圆空气孔光子晶体光纤以实现宽带太赫兹波保偏。 
本发明的技术解决方案如下： 
宽带太赫兹波保偏传输光纤，包括纤芯和包层，其特殊之处在于：所述包层内沿光纤长度方向设置有多个椭圆空气孔，所述多个椭圆空气孔沿其长轴方向成行排列，每个椭圆空气孔的长轴为160μm，短轴为80μm，椭圆空气孔沿长轴方向的间距为200μm，相邻两行的三个椭圆空气孔的中心连线所形成的最小三角形为正三角形，最外侧的椭圆空气孔的中心连线呈正六边形，每行椭圆空气孔两端各向内缩进相同数量的椭圆空气孔后所形成的最外侧的椭圆空气孔的中心连线的依然呈正六边形，所述正六边形的中心与纤芯的中心重合；位于正六边形中心处有两个椭圆空气孔空缺，空缺位置的上下两侧设置有两排空气圆孔，所述两排空气圆孔位于最内侧的正六边形内，所述空气圆孔的半径为20μm，位于同行的空气圆孔的间距为80μm，两行空气圆孔的间距为190μm，所述两行空气圆孔之间的区域为光纤的纤芯，所述光纤的半径为1450μm。 
上述光纤的材料为聚乙烯或聚四氟乙烯。 
宽带太赫兹波保偏传输光纤，包括纤芯和包层，其特殊之处在于：所述包层内沿光纤长度方向设置有多个菱形空气孔，所述多个菱形空气孔沿其长轴方向成行排列，每个菱形空气孔的长轴为160μm，短轴为80μm，菱形空气孔沿长轴方向的间距为200μm，相邻两行的三个菱形空气孔的中心连线所形成的最小三角形为正三角形，最外侧的菱形空气孔的中心连线呈正六边形，每行菱形空气孔两端各向内缩进相同数量的菱形空气孔后所形成的最外侧的菱形空气孔的中心连线的依然呈正六边形，所述正六边形的中心与纤芯的中心重合；位于正六边形中心处有两个菱形空气孔空缺，空缺位置的上下两侧设置有两排空气圆孔，所述两排空 气圆孔位于最内侧的正六边形内，所述空气圆孔的半径为20μm，位于同行的空气圆孔的间距为80μm，两行空气圆孔的间距为190μm，所述两行空气圆孔之间的区域为光纤的纤芯，所述光纤的半径为1450μm。 
上述光纤的材料为聚乙烯或聚四氟乙烯。 
本发明与现有技术相比，优点是： 
1、本发明宽带太赫兹波保偏传输光纤，将椭圆空气孔或菱形空气孔加入到光纤包层中，使得TE和TM两模式的模场分布在很宽的频谱范围内不同，从而具有不同的有效折算率，产生高双折射，同时在光纤的中心引入两排圆形空气孔来改变结构的对称性，提高光纤的双折射，调节光纤的色散，从而实现宽带的低色散保偏太赫兹光子晶体光纤，光子晶体光纤双折射值能够达到10-3，甚至10-2，比传统保偏光纤至少要高一个数量级，且在很宽的频谱范围内具有很低的色散且色散曲线平坦，对于宽带太赫兹脉冲的无畸变传输非常重要。此外，通过调整光子晶体光纤横截面上空气孔的参数就可以改变光纤的结构，从而获得对色散的调节。 
2.温度稳定性好。本发明所设计的宽带高双折射低色散太赫兹光子晶体光纤是用聚合物材料聚乙烯制成，光子晶体光纤中产生的双折射属于几何双折射，它依靠光纤结构的不对称，从而造成光纤中两个垂直的偏振态有不同的传播常数和等效折射率而形成双折射，因此温度变化对双折射值的影响并不明显。 
3.抗辐射能力强。制作传统保偏光纤所用的材料一般是石英材料，光纤的纤芯通常掺杂有GeO2，从而导致核辐射情况下光纤的传输损耗会增大，使得光纤的抗辐射能力低；本发明所设计的宽带高双折射低色散太赫兹光子晶体光纤，其包层和纤芯是由同种聚四氟乙烯材料组成的，抗辐射能力强，性能稳定。 
附图说明
图1为太赫兹宽带保偏光纤结构图； 
图2光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖直(y polarized)偏振模式的有效折算率和双折射曲线； 
图3光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖直(y polarized)偏振模式的色散曲线； 
图4光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖直(y polarized)偏振模式的损 耗曲线。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细说明： 
如图1所示，光纤包括包层和纤芯。传输光纤内沿光纤长度方向设置有多个空气孔，空气孔的形状为菱形或椭圆形，空气孔在光纤基底材料中呈周期性排列，中心有两个空气孔缺陷，并在缺陷的竖直方向引入两排圆形空气孔来改变结构的对称性，提高光纤的双折射，调节光纤的色散，从而实现宽带的低色散保偏太赫兹光子晶体光纤。两行空气圆孔之间的区域为光纤的纤芯，其余部分为包层，包层为包围纤芯的外部区域。每相邻的三个空气孔的中心为一个正三角形的顶点，***的空气孔中心可按照距离纤芯的远近分别连接成以纤芯的中心为中心的多个正六边形，椭圆形空气孔的长轴平行或垂直与正六边形的一条边，且所有椭圆空气孔长轴方向一致，椭圆空气孔以纤芯的中心为原点，且长短轴方向以直角坐标系横纵轴呈对称分布。 
如图1所示，本发明的宽带高双折射低色散太赫兹光子晶体光纤是用聚四氟乙烯材料构成，在0.5THz处的折算率为1.5，吸收损耗为0.3/cm，空气部分由椭圆空气孔组成正六边形结构，中心有两个空气孔缺陷构成纤芯椭圆空气孔长短轴为160μm和80μm，中间两层小圆空气孔半径为20μm，椭圆空气孔间的间距∧为200μm，圆空气孔∧r间的间距为80μm，两行空气圆孔的间距为190μm，整个光纤的半径为1450μm。 
本发明的宽带高双折射低色散太赫兹光子晶体光纤其双折射值在0.1THz到4THz范围内可达到10-3，在0.8THz到4THz范围内可达到10-2。本发明光纤的色散在0.1THz到4THz范围内接近于零，色散曲线平坦，达到宽带高双折射低色散的要求。 
如图2所示光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖直(y polarized)偏振模式的有效折算率随传输频率的增大而增大，当传输频率大于3THz时，有效折算率基本保持不变。双折射值在0.1THz到4THz范围内可达到10-3，在0.8THz到4THz范围内可达到10-2。 
如图3所示在0.1THz到4THz范围内光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖 直(y polarized)偏振模式的色散值接近于零且浮动较小，色散曲线平坦。在0.1THz到4THz(30μm到3000μm)范围内光子晶体光纤中水平(x polarized)和竖直(y polarized)偏振模式的损耗随频率的减小(波长增大)而减小，最小损耗为0.08dB/m。 

Claims (4)

1.宽带太赫兹波保偏传输光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层内沿光纤长度方向设置有多个椭圆空气孔，所述多个椭圆空气孔沿其长轴方向成行排列，每个椭圆空气孔的长轴为160μm，短轴为80μm，椭圆空气孔沿长轴方向的间距为200μm，相邻两行的三个椭圆空气孔的中心连线所形成的最小三角形为正三角形，最外侧的椭圆空气孔的中心连线呈正六边形，每行椭圆空气孔两端各向内缩进相同数量的椭圆空气孔后所形成的最外侧的椭圆空气孔的中心连线的依然呈正六边形，所述正六边形的中心与纤芯的中心重合；位于正六边形中心处有两个椭圆空气孔空缺，空缺位置的上下两侧设置有两排空气圆孔，所述两排空气圆孔位于最内侧的正六边形内，所述空气圆孔的半径为20μm，位于同行的空气圆孔的间距为80μm，两行空气圆孔的间距为190μm，所述两行空气圆孔之间的区域为光纤的纤芯，所述光纤的半径为1450μm。
2.根据权利要求1所述的宽带太赫兹波保偏传输光纤，其特征在于：所述光纤的材料为聚乙烯或聚四氟乙烯。
3.宽带太赫兹波保偏传输光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：所述包层内沿光纤长度方向设置有多个菱形空气孔，所述多个菱形空气孔沿其长轴方向成行排列，每个菱形空气孔的长轴为160μm，短轴为80μm，菱形空气孔沿长轴方向的间距为200μm，相邻两行的三个菱形空气孔的中心连线所形成的最小三角形为正三角形，最外侧的菱形空气孔的中心连线呈正六边形，每行菱形空气孔两端各向内缩进相同数量的菱形空气孔后所形成的最外侧的菱形空气孔的中心连线的依然呈正六边形，所述正六边形的中心与纤芯的中心重合；位于正六边形中心处有两个菱形空气孔空缺，空缺位置的上下两侧设置有两排空气圆孔，所述两排空气圆孔位于最内侧的正六边形内，所述空气圆孔的半径为20μm，位于同行的空气圆孔的间距为80μm，两行空气圆孔的间距为190μm，所述两行空气圆孔之间的区域为光纤的纤芯，所述光纤的半径为1450μm。
4.根据权利要求3所述的宽带太赫兹波保偏传输光纤，其特征在于：所述光纤的材料为聚乙烯或聚四氟乙烯。
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