專利名稱：一種太赫茲多孔光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域，尤其涉及傳輸太赫茲波的光纖。
背景技術(shù)：
太赫茲波(Terahertz, THz)是指頻率位于O.1THz到IOTHz波段的電磁波。近二十多年以來，低尺度半導(dǎo)體和超快光電子技術(shù)的發(fā)展為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，THz輻射機(jī)制、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)研究得到快速發(fā)展，THz波具有很多優(yōu)越的特性和重要的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于物體成像、光譜分析、醫(yī)療診斷、材料分析測(cè)試、環(huán)境檢測(cè)以及通訊雷達(dá)等領(lǐng)域。迄今，大部分THz系統(tǒng)都是基于THz波在自由空間中的傳輸。這種結(jié)構(gòu)體積龐大，不易集成，易受到外界的干擾，特別是水蒸氣的影響，給THz系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及集成化帶來較大的困難，THz波導(dǎo)器件的發(fā)展有望解決這些問題。然而由于金屬有限的電導(dǎo)率以及電介質(zhì)高的吸收系數(shù)，造成了傳統(tǒng)的微波波段的金屬波導(dǎo)和可見及紅外波段的電介質(zhì)光纖都不能用來長(zhǎng)距離傳輸THz波。要實(shí)現(xiàn)寬頻帶、大容量的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，研發(fā)一種低損耗的THz波導(dǎo)也成為首要需解決的技術(shù)。近年來，越來越多的國(guó)內(nèi)外課題組進(jìn)行了低損耗THz波導(dǎo)的研究，由于空氣對(duì)THz的吸收近似為零，各種波導(dǎo)設(shè)計(jì)致力于即能束縛THz波在波導(dǎo)里傳輸又能將纖芯模能量更多的分布于空氣中，設(shè)計(jì)類型主要有亞波長(zhǎng)尺度光纖、空芯光子帶隙光纖和多孔光纖等。亞波長(zhǎng)光纖采用亞波長(zhǎng)尺寸的實(shí)心棒為高折射率纖芯，纖芯周圍的空氣作為包層，由于光纖橫向直徑較小，傳導(dǎo)模更多的分布于纖芯周圍的空氣包層里，從而達(dá)到降低吸收損耗的目的。這種光纖的主要缺點(diǎn)是大部分傳導(dǎo)模能量分布于空氣包層中，傳輸過程易受外界環(huán)境影響[S. P. Jamison, et al. , ^Single-mode waveguide propagation andreshaping of sub-ps terahertz pulses in sapphire fibers, ” App1. Phys. Lett.,2000 76:1987]?？招竟庾訋豆饫w是一種更優(yōu)的選擇，THz波在空芯中傳輸，即能實(shí)現(xiàn)THz波以低損耗長(zhǎng)距離傳輸，又能有效的免除外界環(huán)境的干擾，但其傳輸帶寬受到光纖帶隙寬度的限制。[Y. F. Geng, et al. , “Transmission loss and dispersion in plasticterahertz photonic band-gap fibers,” App1. Phys. B, 2008 91: 333]。多孔光纖可被認(rèn)為是能與空心光子帶隙光纖相比擬的一種低損耗光纖，S.Atakaramians [S. Atakaramians, et al. , “Porous fibers: a novel approach to lowloss THz waveguides,” Opt. Express, 2008, 16(12): 8845]提出的多空光纖以六角晶格排列的亞波長(zhǎng)空氣孔組成的結(jié)構(gòu)為纖芯，纖芯外空氣作為包層，形成全內(nèi)反射光纖。纖芯基模在空氣孔與材料的界面處發(fā)生局域性的增強(qiáng)，因?yàn)槊總€(gè)界面處的模場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)為常數(shù)，所以模場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)的區(qū)域依賴于亞波長(zhǎng)孔分布的位置，在越靠近光纖纖芯的地方，模場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，因此模場(chǎng)分布呈近高斯分布。由于空氣孔所占纖芯比例較大，模場(chǎng)能量大部分分布在空氣孔中，從而減少了材料對(duì)THz波的吸收。這種光纖即能滿足THz波的低損耗的長(zhǎng)距離傳輸又能將大部分模場(chǎng)能量限制在纖芯中，降低了光傳輸過程中外部環(huán)境對(duì)其的干擾。光纖空氣包層中模場(chǎng)能量所占比值可低于總能量的20%。J. J. Bai [J. J. Bai, et al.，“A porous terahertz fiber with randomly distributed air holes” App1. Phys. B,2011 103: 381]等人提出了一種任意排列的多孔光纖，相對(duì)于六角晶格周期性排列的多孔光纖空氣包層中能量所占比值可降低三分之一左右，但這種結(jié)構(gòu)增加了材料損耗。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上的不足，本發(fā)明提供一種能實(shí)現(xiàn)低損耗、寬帶和免受外部干擾的用于太赫茲波傳輸?shù)恼凵渎室龑?dǎo)型多孔光纖。本發(fā)明的技術(shù)方案是多孔纖芯由內(nèi)部纖芯和外部纖芯組成，所述內(nèi)部纖芯由十三個(gè)六角晶格周期性排列的第一類孔組成，外部纖芯由第一類孔和第二類孔組成的多層類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以及所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)外包裹的基質(zhì)材料組成，所述多孔纖芯外是空氣包層；所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元由排布在六角晶格頂點(diǎn)的六個(gè)第一類孔和中間的一個(gè)第二類孔形成的整體大孔所組成，所述第一類孔和第二類孔之間通過基質(zhì)材料連接。所述第一類孔和第二類孔均為小于太赫茲波波長(zhǎng)λ的亞波長(zhǎng)空氣孔，第一類孔的直徑為山第二類空氣孔的直徑為2 Λ+d，其中Λ為內(nèi)部纖芯孔周期。為了降低纖芯模能量在空氣包層中的分布，光纖要求由第一類孔I和第二類孔2組成的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)外部纖芯層數(shù)N > 2。本發(fā)明的技術(shù)效果是ΤΗζ多孔光纖是一種全內(nèi)反射型微結(jié)構(gòu)光纖，周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔結(jié)構(gòu)為纖芯，纖芯外為空氣包層。模場(chǎng)在空氣與材料的界面處發(fā)生局域性的增強(qiáng)，因?yàn)槊總€(gè)界面處的模場(chǎng)能量增強(qiáng)系數(shù)為常數(shù)，所以模場(chǎng)能量增強(qiáng)的位置依賴于亞波長(zhǎng)孔分布的位置，在越靠近光纖纖芯的地方，模場(chǎng)能量越強(qiáng)，因此模場(chǎng)分布呈近高斯分布。另外模場(chǎng)能量大部分分布于空氣孔中，因此能實(shí)現(xiàn)THz波的低損耗長(zhǎng)距離傳輸。如果將多孔光纖結(jié)構(gòu)的纖芯分為內(nèi)部纖芯和外部纖芯，外部纖芯平均折射率小于內(nèi)部纖芯平均折射率，當(dāng)波長(zhǎng)較短時(shí)，模場(chǎng)能量更`多的分布于內(nèi)部纖芯，隨著波長(zhǎng)的增加模場(chǎng)能量逐漸擴(kuò)散至外部纖芯，由于外部纖芯的占空比(空氣孔占有比例)更大，材料吸收損耗將隨之降低，并且模場(chǎng)能量主要分布于纖芯區(qū)`域，極少擴(kuò)散至空氣包層中。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是實(shí)現(xiàn)多個(gè)寬帶的低損耗THz波傳輸；二是將模場(chǎng)能量有效的束縛于纖芯內(nèi)，減少了外界環(huán)境對(duì)光纖傳輸性能的影響。另外光纖僅由一種材料制作而成，因而更易制作，光纖性能也更穩(wěn)定。


圖1為光纖結(jié)構(gòu)示意 其中1第一類孔，2第二類孔，3基質(zhì)材料；
圖2為d/A=0. 75時(shí)，模場(chǎng)能量在空氣孔、基質(zhì)材料和空氣包層中的比值分別隨頻率的變化；
圖3為d/Λ=0. 85時(shí)，模場(chǎng)能量在空氣孔、基質(zhì)材料和空氣包層中的比值分別隨頻率的變化；
圖4為d/Λ=0. 95時(shí)，模場(chǎng)能量在空氣孔、基質(zhì)材料和空氣包層中的比值分別隨頻率的變化；圖5為損耗隨頻率的變化。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的太赫茲光纖由多孔纖芯和空氣包層組成，光纖纖芯分為內(nèi)部和外部?jī)刹糠帧?nèi)部纖芯由周期性排列的亞波長(zhǎng)空氣孔組成，外部纖芯由N層改進(jìn)的類蜂窩型亞波長(zhǎng)空氣孔組成，纖芯外是空氣包層，光纖基于全內(nèi)反射原理導(dǎo)光。需要說明的是多孔光纖里空氣孔都為亞波長(zhǎng)孔，第一類孔直徑為山則第二類空氣孔直徑為2 Λ+d，其大小應(yīng)小于太赫茲波波長(zhǎng)λ，從而保證第二類孔為亞波長(zhǎng)孔。因?yàn)槭嵌嗫坠饫w，纖芯外空氣作為包層，多孔光纖纖芯外沿與纖芯內(nèi)最外層空氣孔的絕對(duì)距離比較大會(huì)引起纖芯模能量在此材料區(qū)域大的分布，從而增加了材料吸收損耗，這里要求纖芯直徑距離D ( 15Λ，但此絕對(duì)距離過小，光纖拉制過程中容易變形，為了便于制作，這里要求D彡14 Λ。圖1給出了本發(fā)明的多孔光纖的橫截面示意圖，多孔纖芯由內(nèi)部纖芯和外部纖芯組成，所述內(nèi)部纖芯由十三個(gè)六角晶格周期性排列的第一類孔I組成，外部纖芯由第一類孔I和第二類孔2組成的多層類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以及所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)外包裹的基質(zhì)材料3組成，所述多孔纖芯外是空氣包層；所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元由排布在六角晶格上頂點(diǎn)的六個(gè)第一類孔I和中間的I個(gè)第二類孔2組成的整體大孔，所述第一類孔I和第二類孔2之間通過基質(zhì)材料3連接。第一類孔I和第二類孔2內(nèi)填充空氣，折射率為η&，光纖的基質(zhì)材料的折射率η，整個(gè)光纖纖芯直徑為D。纖芯基模能量在多孔光纖不同區(qū)域的比值定義為
權(quán)利要求
1.一種太赫茲多孔光纖，包括多孔纖芯和空氣包層，其特征在于，多孔纖芯由內(nèi)部纖芯和外部纖芯組成，所述內(nèi)部纖芯由十三個(gè)六角晶格周期性排列的第一類孔(1)組成，外部纖芯由第一類孔(1)和第二類孔(2)組成的多層類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以及所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)外包裹的基質(zhì)材料(3)組成，所述多孔纖芯外是空氣包層；所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元由排布在六角晶格頂點(diǎn)的六個(gè)第一類孔(1)和中間的一個(gè)第二類孔(2)形成的整體大孔所組成，所述第一類孔(1)和第二類孔(2 )之間通過基質(zhì)材料(3 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種太赫茲多孔光纖，其特征在于，所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)的層數(shù)N彡2。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種太赫茲多孔光纖，其特征在于，所述第一類孔(1)和第二類孔(2)均為小于太赫茲波波長(zhǎng)λ的亞波長(zhǎng)空氣孔，第一類孔(1)的直徑為d，第二類空氣孔(2)的直徑為2A+d，其中Λ為內(nèi)部纖芯孔周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種太赫茲多孔光纖，其特征在于，所述多孔纖芯的直徑D 的要求為14Λ≤D15≤Λ。
全文摘要
本發(fā)明公開一種太赫茲多孔光纖，多孔纖芯由內(nèi)部纖芯和外部纖芯組成，所述內(nèi)部纖芯由十三個(gè)六角晶格周期性排列的第一類孔組成，外部纖芯由第一類孔和第二類孔組成的類蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以及所述類蜂窩狀結(jié)構(gòu)外包裹的基質(zhì)材料組成。本發(fā)明使光纖模場(chǎng)在空氣孔和材料的界面處產(chǎn)生局域性的增強(qiáng)效應(yīng)，使大部分能量分布于亞波長(zhǎng)的空氣孔中，達(dá)到多個(gè)寬帶的低損耗太赫茲波傳輸?shù)哪康摹?br> 文檔編號(hào)G02B6/02GK103048729SQ201210583899
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者祝遠(yuǎn)鋒, 張永康, 陳明陽(yáng), 楊繼昌 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)