專利名稱：一種太赫茲光纖的制作方法
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(Terahertz，簡稱THz)波是指頻率在0. 1 — 10 THz (波長為30— 3000 μ m)范圍內(nèi)的電磁波(ITHz=IO12Hz)。近幾年來，飛秒激光技術(shù)的發(fā)展和成熟為THz波脈沖 的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的機理研究、檢測技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)得到蓬 勃發(fā)展。太赫茲波極易被介質(zhì)材料吸收，對于THz波的傳輸來說，限制其傳輸損耗的一個 關(guān)鍵因素就是材料對THz波的本征吸收。目前常用的太赫茲光纖制作材料的吸收損耗一般 在幾十dB/m到幾百dB/m之間。減小材料的吸收損耗的一種方法是采用新型的光子晶體光 纖結(jié)構(gòu)，如多孑L光纖[S. Atakaramians, et al. , "Porous fibers a novel approach to low loss THz waveguides,” Opt. Express, 2008, 16(12) : 8845]或空芯光子晶體光纖 [L. Vincetti, "Numerical analysis of plastic hollow core microstructured fiber for Terahertz applications, ” Opt. FiberTechnol., 2009，15: 398]。其基本思想都 是通過在光纖中引入空氣孔，以降低太赫茲波分布在基質(zhì)材料中的比例，從而減少材料對 光的吸收。采用光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)獲得了吸收損耗僅為幾dB/m的低損耗太赫茲 光纖。具有高雙折射特性的單模光纖由于可以保持光的偏振態(tài)、減小偏振光之間的耦 合，在光信號檢測與處理等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。采用光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，可以很容易獲得 具有高雙折射的太赫茲光纖。如纖芯由兩個實芯棒組成的高雙折射太赫茲光纖[M. Cho, et al. , "Highly birefringent terahertz polarization maintaining plastic photonic crystal fibers, ” Opt. Express, 2008，16(1) : 7]，其雙折射可達 0. 021。但由于光主 要是在基質(zhì)材料中傳輸，其吸收損耗無法降低。因此，這種結(jié)構(gòu)的實用性較差。文獻[S. Atakaramians, et al. , “THz porous fibers design, fabrication and experimental characterization, "Opt. Express, 2009, 17(16) : 14053]公開了一種基于矩形孔結(jié)構(gòu) 的高雙折射多孔光纖，其雙折射可達0.012。但其吸收損耗過大，極大地限制了其應(yīng)用范圍。專利號為ZL 200610102211. 1的發(fā)明專利“一種實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖”公 開了采用蜘蛛網(wǎng)狀的空心光纖，可以實現(xiàn)低吸收損耗的太赫茲波傳輸，但并不適用于獲得 高雙折射。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)低損耗、高雙折射的用于傳輸太 赫茲波的光纖。本發(fā)明的技術(shù)方案是包括材料層，空氣層和外環(huán)；該材料層和空氣層交替排 布，材料層與外環(huán)的基質(zhì)材料相同，固定于外環(huán)內(nèi)部，材料層層數(shù)N>2，外環(huán)寬度a滿足a彡0. 1 λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆úㄩL。作為本發(fā)明的進一步改進，其空氣層的截面面積與材料層和空氣層的截面總面積 比/彡40% ο本發(fā)明的技術(shù)效果是材料層和外環(huán)由相同的材料組成，其折射率高于空氣層的 折射率，從而光纖的等效折射率大于其外側(cè)的空氣的折射率。太赫茲波進入光纖后有部分 能量在光纖內(nèi)部的空氣層和光纖外部(即空氣)中傳輸，從而減小光在材料中的比例，降低 了其吸收損耗。太赫茲波在光纖內(nèi)部傳輸時，其兩偏振基模的分布是不同的。其中X偏振模在空 氣層和材料層中的場強分布具有連續(xù)性，而y偏振模主要集中在空氣層中傳輸。由于兩偏 振模的模場存在很大差別，從而導(dǎo)致兩者有效折射率不同，進而產(chǎn)生了很高的雙折射。由于 光纖內(nèi)部僅由幾層材料組成，減低了其制作的復(fù)雜度和難度。


圖1為第一種太赫茲光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為第二種太赫茲光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖3為第三種太赫茲光纖的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為光纖χ偏振模的二維模場分布圖； 圖5為光纖y偏振模的二維模場分布圖； 圖6為光纖χ偏振模在y軸上的模場分布； 圖7為光纖y偏振模在y軸上的模場分布； 圖8光纖的吸收損耗與環(huán)寬的關(guān)系曲線圖； 圖9光纖的雙折射與材料層厚度的關(guān)系曲線； 圖10光纖χ偏振模的吸收損耗隨材料層厚變化的曲線圖； 圖11光纖y偏振模的吸收損耗隨材料層厚變化的曲線圖； 圖12光纖內(nèi)部含支撐條的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13支撐條厚度與光纖吸收損耗的關(guān)系曲線； 圖14支撐條厚度與雙折射率的關(guān)系曲線； 其中1-材料層；2-空氣層；3-外環(huán)；4-支撐條。
具體實施例方式如圖1、2或3所示，光纖由材料層1和空氣層2交替排布而成，并通過外部的圓管 形的外環(huán)3固定，組成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。材料層1和外環(huán)3采用相同基質(zhì)材料組成。這種層狀光 纖的傳光原理為高折射率的材料層1和低折射率的空氣層2及外環(huán)3組成等效的纖芯部 分，其等效折射率大于其外側(cè)的空氣的折射率。空氣層2的使太赫茲波進入光纖后有部分 能量在光纖內(nèi)部的空氣層2和光纖外部(即空氣)中傳輸，減小光在材料中的比例，降低了其 吸收損耗。而太赫茲波在空氣層2中的比例越高，光纖吸收損耗越小。由于光纖的折射率 分布在水平和垂直方面明顯不同，因此，光纖具有雙折射特性。圖4為光纖χ偏振模的二維 模場分布圖，圖5為光纖y偏振模的二維模場分布圖，圖6為光纖χ偏振模在y軸上的模 場分布，圖7為光纖y偏振模在y軸上的模場分布。從圖中可見，太赫茲波在光纖內(nèi)部傳輸其中是空氣的折射率，nmat表示材料的折射率，/是光纖內(nèi)部的空氣層2的截面面 積占整個光纖橫截面總面積(不包括外環(huán)3的面積)的比例，即空氣占空比。在光纖基質(zhì)材 料確定的情況下，其等效的均勻纖芯的折射率僅取決于空氣占空比八即便層周期不同，在 理想情況下，只要其空氣占空比相同，則它們都可以等效為相同參數(shù)的階躍型光纖。因而其 雙折射和吸收損耗數(shù)值相近。利用公式(I )可以求出nx-ny達到最大值時的空氣占空比值。當光纖基質(zhì)材料確 定時，因為式中/W和/W的大小已知，通過求導(dǎo)計算可以得出使最大時，f的取值。 由于兩者其它參數(shù)完全相同，而纖芯折射率差別最大，因此，此時光纖的雙折射也將達到最 大值。當《 尸1. 5時，根據(jù)公式(I)算出當/=44. 84%時，光纖具有最大雙折射。但實際制 作中由于外環(huán)3等非對稱結(jié)構(gòu)的引入，空氣占空比相同而不同周期時，其達到最大雙折射 時對應(yīng)的空氣占空比并不完全相同，但一般相差很少。例如當光纖層周期Λ=60 μπι時，光 纖達到最大雙折射時/ =40.32%。光纖的基質(zhì)材料的折射率η=1. 4 1.5時，其最高雙折 射均出現(xiàn)在空氣占空比/ =40%左右。由于在達到最高雙折射之前，光纖的雙折射已經(jīng)可以 很高，而此時對應(yīng)的空氣占空比較低，這就會導(dǎo)致光纖基模的吸收損耗較大。因此，綜合考 慮實際對光纖的低吸收損耗與高雙折射傳輸?shù)囊?，空氣占空比的取值一般取為f ^ 40%。 這樣，光纖基模在空氣中傳輸?shù)谋壤话憧蛇_50%以上，從而有效地降低其吸收損耗。如果 要求模式的吸收損耗較低，可取更大的空氣占空比。光纖的基質(zhì)材料應(yīng)取吸收損耗較小的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等聚合物材料，
時，其兩偏振基模的分布是不同的，其中X偏振模在空氣層2和材料層1中的場強分布具有 連續(xù)性，而y偏振模主要集中在空氣層2中傳輸。由于兩偏振模的模場存在很大差別，從而 導(dǎo)致兩者有效折射率不同，進而產(chǎn)生了很高的雙折射。光纖外環(huán)3寬度對光纖的吸收損耗與雙折射產(chǎn)生影響。如圖8所示，其中吸收損 耗隨著環(huán)寬的增大而增大。其原因是環(huán)寬增大后，光在材料中的比例增加，從而導(dǎo)致吸收損 耗的增加。當外環(huán)寬大到一定值時，傳輸?shù)哪Ｊ綀鰧⑾蛲猸h(huán)集中，從而其吸收損耗將迅速增 大，同時，其雙折射也將迅速減小。為此，外環(huán)3寬度a的取值一般應(yīng)滿足aSO.lX，λ為 傳輸?shù)奶掌澆úㄩL。為了減少光纖的吸收損耗，光纖外環(huán)寬度a最好滿足a < 0. 06 λ。材料層1越厚，模式的傳輸損耗也會越大。并且材料層1過薄或過厚都會導(dǎo)致兩 偏振模的場分布差別變小，從而使其雙折射變小。而層周期力，即材料層厚度i/與空氣層厚 度力之和，^ =^/+力，對光纖的雙折射和吸收損耗無直接影響。圖9為光纖的雙折射與材料層 厚度的關(guān)系曲線，圖10和圖11為光纖χ偏振模和y偏振模的吸收損耗隨材料層厚變化的 曲線圖，由圖可見，在不同周期下，光纖的最大雙折射值是相近的，且其吸收損耗大小也相 近。這一現(xiàn)象同樣可以根據(jù)光纖的傳光原理來解釋當層周期尺寸遠小于傳輸波長時，可以 將光纖等效為一階躍型光纖，即可以將光纖等效為具有單一折射率的均勻纖芯。在沒有外 環(huán)時，其在χ和y偏振模傳輸時等效的均勻纖芯的折射率^r和 可以表示為其折射率ri=1.4 1.5。由于光纖的雙折射來源于兩偏振基模在材料層的能量分布的不同。因此，材料層 1的層數(shù)N應(yīng)大于2。由于光纖的雙折射和吸收損耗僅取決于空氣占空比，與材料層1的周 期無關(guān)。而光纖半徑、空氣占空比等參數(shù)確定的前提下，材料層的數(shù)量越多，也就意味著材 料層的厚度就越薄，從而增加了光纖制作的難度。因此，材料層數(shù)量一般可取為3 8層。為了使層狀光纖的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，可在光纖內(nèi)部縱向加若干很細的支撐條4，截面 如圖12所示。如圖13和圖14為光纖損耗和雙折射隨支撐條厚度的變化曲線。顯然，支撐 條越厚，光纖損耗越大，同時，其雙折射也越小。在保證支撐條4與材料層1相比，厚度較薄、 數(shù)量較少的前提下，支撐條4的引入對光纖的吸收損耗與雙折射影響很小。以下實施例均以聚四氟乙烯為基質(zhì)材料，其吸收損耗為130 dB/m，材料折射率為 1.5，光纖截面半徑r取為170 μ m，光纖在所示太赫茲波范圍內(nèi)保持單模傳輸。實施例一
光纖截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，光纖特性如表1所示。由于空氣占空比比較高，這種光纖的 吸收損耗較低，但仍具有很高的雙折射。由于這種光纖的吸收損耗適中，雙折射較高，既可 作為器件，也可用于短距離的傳輸。表 1 光纖特性(光纖參數(shù)力=20 μ m, d=h μ m, / =76. 25%, N=16, a-10 μ m)
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波光纖，包括材料層(1 )，空氣層(2)和外環(huán)(3);其特征在于材料層(1) 和空氣層(2 )交替排布，所述材料層(1)與外環(huán)(3 )的基質(zhì)材料相同，固定于外環(huán)(3 )內(nèi)部， 材料層(1)層數(shù)N>2，外環(huán)(3)寬度a滿足a彡0. 1 λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆ㄩL。
2.如權(quán)利要求書1所述的太赫茲光纖，其特征在于所述空氣層(2)的截面面積與材料 層(1)和空氣層(2)的總截面面積比/彡40%。
3.如權(quán)利要求書1或2所述的太赫茲光纖，其特征在于所述基質(zhì)材料的折射率η=1.4 1.5。
4.如權(quán)利要求書1或2所述的太赫茲光纖，其特征在于所述外環(huán)(3)寬度a取值為 a彡0. 06 λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆ㄩL。
5.如權(quán)利要求書1或2所述的太赫茲光纖，其特征在于所述材料層(1)層數(shù)N取值為 3彡N彡8。
6.如權(quán)利要求書3所述的太赫茲光纖，其特征在于所述材料層(1)層數(shù)N取值為 3彡N彡8。
7.如權(quán)利要求書1或2所述的太赫茲光纖，其特征在于所述空氣層(2)內(nèi)有縱向連接 相鄰材料層(1)的支撐條(4)。
8.如權(quán)利要求書7所述的太赫茲光纖，其特征在于所述支撐條(4)的厚度小于材料層 (1)的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種太赫茲光纖。該光纖包括材料層，空氣層和外環(huán)，材料層和空氣層交替排布，并由外環(huán)固定，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；其材料層和外環(huán)采用相同的吸收損耗較低材料作為基質(zhì)材料，材料層層數(shù)N>2，外環(huán)寬度a滿足a≤0.1λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆úㄩL。該光纖適合傳輸太赫茲波，具有低損耗，高雙折射率的優(yōu)點，并且制作簡單。
文檔編號G02B6/02GK102122022SQ201010589019
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者付曉霞, 佟艷群, 孫兵, 張永康, 張銀, 李裕蓉, 陳明陽 申請人:江蘇大學