CN106054311A - 高双折射复合光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高双折射复合光子晶体光纤，包括：纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔。本发明中所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔，光纤结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。

Description

高双折射复合光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及太赫兹光纤技术领域，特别涉及一种高双折射复合光子晶体光纤。

背景技术

近年来，太赫兹相关技术受到了越来越多的关注，已经在医疗诊断，生物成像、化学检测分析，安检、通信等领域显示出了广阔的应用前景。但目前的太赫兹***主要依靠自由空间实现太赫兹波传输，缺乏低损耗、柔性的太赫兹波导方法，很大程度上限制了太赫兹技术的应用范围。

太赫兹波在绝大多数的固体材料中都有较强的吸收，对于太赫兹波传输，降低其损耗的一个关键因素就是减少材料对太赫兹波的本证吸收。由于太赫兹波在聚合物材料中的吸收损耗相对较低，近年来，国内外研究人员开展了大量的聚合物太赫兹光纤研究。光子晶体光纤又名微结构光纤，它可以通过空气孔结构的灵活设计来实现许多传统光纤不具备的特性，例如提供高双折射，从而实现保偏性能，因此发展高双折射的太赫兹微结构光纤成为太赫兹领域的一个热点。

空气芯光子带隙型光纤依靠光子晶体带隙效应传输太赫兹波，太赫兹波主要在空气芯中传输，是一种理想的低损耗太赫兹光纤，但受到传输带隙窄的限制，不适用于宽带太赫兹波传输，且光子带隙型光纤对制备工艺要求较高。近年来，太赫兹多孔光纤开始受到人们的关注[文献：(1)S.Atakaramians，et al.，“Porous fibers：a novel approach tolowloss THz waveguides，”Opt.Express，2008，16(12)：8845；(2)B.Ung，et al.，“Polymermicrostructured optical fibers forterahertz wave guiding，”Opt.Express，2011，19(26)：B848]。多孔光纤采用亚波长空气孔组成的多孔结构为纤芯，空气作为包层，形成全内反射型光纤，太赫兹波有部分能量在低损耗的亚波长空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗。但是亚波长多孔光纤有相当大部分的能量在空气包层中传播，容易受到外界环境的干扰，例如受到对太赫兹波有强烈吸收的水的影响，因此其应用范围受到很大限制。为了避免外界环境的干扰，在全反射型光子晶体光纤的纤芯中引入亚波长空气孔结构来降低光纤损耗开始受到了人们的关注[文献：M.Uthman，et al.，“Design and Characterization ofLow－LossPorous－Core Photonic Crystal Fiber，”IEEE Photon.J.，2012，4(6)，2315]。

Islam等人报道了通过同时破坏多孔微结构光纤的纤芯和包层的对称性，在1THz时，双折射数值高达0.04[文献：R.Islam，et al.，“Novel porous fiber based on dual－asymmetry forlow－loss polarization maintaining THz waveguidance，”OpticsLetters，2016，41(3)，440]。但是这种光纤结构相对复杂，难以通过堆积法等广泛使用的微结构光纤制备方法制备。最近有报道提出采用菱形结构纤芯，全圆形空气孔结构的双折射微结构光纤，但其双折射数值较低，限制损耗相对较高[文献：R.Islam，et al.，“A NovelLow－Loss Diamond－Core Porous Fiber forPolarization Maintaining TerahertzTransmission，”IEEE Photon.Technol.Lett.，2016，28(14)，1537]。还有文献报道采用矩形空气孔作为纤芯，太赫兹多孔光子晶体光纤双折射数值也可达到10－2数量级[文献：R.Islam，et al.，“Extremely High－Birefringent AsymmetricSlotted－Core PhotonicCrystal Fiber in THz Regime，”IEEE Photon.Technol.Lett.，2015，27(21)，2222]。但是这些光纤结构引入了矩形等非圆形复杂结构，在制备过程中难以保证包层空气孔结构与纤芯结构的完整性，制备工艺复杂，难以实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高双折射复合光子晶体光纤，以解决现有技术中的双折射太赫兹光纤结构复杂、双折射数值低和损耗高的技术问题。

本发明提供一种高双折射复合光子晶体光纤，所述高双折射复合光子晶体光纤包括纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔。

进一步地，所述第三空气孔包括水平设置的两个所述第二空气孔，所述第二空气孔垂直设置于所述基底材料内。

进一步地，所述第一空气孔的直径与所述第一空气孔中心间距的比值大于或等于0.6，且小于或等于0.95。

进一步地，部分所述第一空气孔或全部所述第一空气孔中填充有水、乙醇或二氧化碳。

进一步地，所述第二空气孔由两个的圆状空气孔组成，或为单个的椭圆状的第二空气孔。

进一步地，所述第一空气孔为圆形。

进一步地，圆状的所述第一空气孔直径与所述第二空气孔的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。

进一步地，相邻的圆状的所述第二空气孔的间距为25－50μm。

进一步地，所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。

进一步地，相邻的三个所述第一空气孔呈三角形排布。

本发明提供的高双折射复合光子晶体光纤中所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔。本发明中所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔，光纤结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的高双折射复合光子晶体光纤的结构示意图；

图2是图1的纤芯的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的高双折射复合光子晶体光纤随频率变化的双折射曲线；

图4是根据本发明实施例的高双折射复合光子晶体光纤有效材料吸收损耗曲线。

图中：

1－包层； 2－第一空气孔； 3－第三空气孔；

4－第二空气孔。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明提供的高双折射复合光子晶体光纤包括：纤芯和环绕于纤芯的包层1，所述包层1中设置有多个第一空气孔2，多个所述第一空气孔2以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔2的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔4，所述第二空气孔4与所述第一空气孔2之间设置有第三空气孔3。类椭圆状即为左右的轴长，上下的轴短的第二空气孔4。

本发明中所述第二空气孔4与所述第一空气孔2之间设置有第三空气孔3，光纤结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。

在本发明所设计的高双折射太赫兹光纤中，第三空气孔3和纤芯中双孔的尺寸与包层1的第一空气孔2尺寸相当，且排布简单。所述第二空气孔4可以呈类椭圆状，由于纤芯中引入了非对称的类椭圆的第二空气孔4，该结构不具备旋转对称性。

所述第三空气孔3包括水平设置的两个所述第二空气孔4，所述第二空气孔4垂直设置于所述基底材料内。所述第一空气孔2的直径与所述第一空气孔2中心间距的比值大于或等于0.6，且小于或等于0.95。

本发明所述的纤芯中引入的圆形的第二空气孔4个数为2个，椭圆形的第二空气孔4数为1个远少于此前所报道的多孔光纤结构。本发明所述的光纤结构为全圆形或全椭圆形的第一空气孔2且排布简单，制备工艺简单，容易实现。

进一步地，所述第二空气孔4由两个的圆状空气孔组成，两个圆状的便于加工。或为单个的椭圆状的第二空气孔4，单个椭圆状的第二空气孔4可以减少加工数量，节约步骤。

进一步地，圆状的所述第一空气孔2直径与所述第二空气孔4的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。相邻的圆状的所述第二空气孔4的间距为25－50μm。

为了使得太赫兹波更容易弥散到包层1区域内，即更容易形成高双折射，进一步地，本实施例中所述第一空气孔2为圆形或椭圆形(椭圆形的未示出)。椭圆形的所述第一空气孔2短轴与长轴的比值为0.5－1。比值位于0－1之间，比值越小，椭圆的形状就越细长，包层1折射率的各向异性就越大，太赫兹波就更容易弥散到包层1区域内，即更容易形成高双折射，但是同时增大了传输的泄露损耗。比值趋近于1，椭圆即近似圆形，包层1中折射率的各向异性就较小，双折射效应就相对较弱。综合考虑包层1的泄露损耗和双折射效应比值为0.5－1。

进一步地，相邻的所述第一空气孔2中心间距为50－100μm。所述第一空气孔2中心间距大于所述第一空气孔2的直径5－10μm。

为了使得双折射程度有所降低，进一步地，本实施例中部分所述第一空气孔2或全部所述第一空气孔2中填充有水、乙醇或二氧化碳等折射率低于基底材料折射率高于空气折射率的材料。所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。只要是折射率大于空气的材料均属于本发明保护范围，也可以采用环烯烃聚合物，其在太赫兹波段的折射率n＝1.5。

其在太赫兹波段的折射率n＝1.5，在1－3THz范围内，设定环烯烃聚合物的材料吸收损耗为1cm－1。第一空气孔2均按照三角晶格排列，圆形孔直径设定为d＝70um，孔中心间距Λ＝75μm。第二空气孔4的直径相同，直径dc＝30um，每组双孔间距Λc＝35um。第二空气孔4的双孔单元平行于Y轴，其余6组第三空气孔3的双孔单元平行于X轴。

图3是通过全矢量有限元方法计算的图1实施例所述光纤的双折射随频率的变化规律，在1－3THz范围内，双折射保持在10－2量级，且随着频率的增大，双折射数值增大。

在本实施例中，由图3可以看出，在1－3THz范围内，实施例所示光纤的材料吸收损耗随着频率的增大而增大，在频率为2THz时，X偏振方向的材料吸收损耗为0.65cm－1，Y偏振方向的材料吸收损耗为0.5cm－1。

从所述光纤在频率为1.5THz时的电场场强分布图。可以看出，X偏振模和Y偏振模都被有效的限制在光纤纤芯中传输，同时纤芯中的空气孔还具有模式束缚能力。

本发明提供的高双折射复合光子晶体光纤中所述包层1中设置有多个第一空气孔2，多个所述第一空气孔2以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔2的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔4，所述第二空气孔4与所述第一空气孔2之间设置有第三空气孔3。本发明中所述第二空气孔4与所述第一空气孔2之间设置有第三空气孔3，光纤结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，包括纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔与所述第一空气孔之间设置有第三空气孔。

2.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，所述第三空气孔包括水平设置的两个所述第二空气孔，所述第二空气孔垂直设置于所述基底材料内。

3.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，所述第一空气孔的直径与所述第一空气孔中心间距的比值大于或等于0.6，且小于或等于0.95。

4.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，部分所述第一空气孔或全部所述第一空气孔中填充有水、乙醇或二氧化碳。

5.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，所述第二空气孔由两个的圆状空气孔组成，或为单个的椭圆状的第二空气孔。

6.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，所述第一空气孔为圆形。

7.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，圆状的所述第一空气孔直径与所述第二空气孔的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。

8.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，相邻的圆状的所述第二空气孔的间距为25－50μm。

9.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。

10.根据权利要求1所述的高双折射复合光子晶体光纤，其特征在于，相邻的三个所述第一空气孔呈三角形排布。