專利名稱：一種磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶調(diào)制開關(guān)領(lǐng)域，特別是一種磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)。
背景技術(shù)：
太赫茲波是指頻率在0.1THZ到10THZ之間、波長在0.03mm-3mm之間的電磁波。它在長波段與毫米波重疊，短波段與紅外線有重疊。THZ波所處的特殊位置使THZ技術(shù)成為連接電子學(xué)和光子學(xué)的橋梁，具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。由于太赫茲波在空間的耦合損耗很大，所以以開關(guān)為基礎(chǔ)的太赫茲器件是太赫茲波能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。低折射率的纖芯被折射率周期性變化的包層所圍繞的光纖都可以稱作布拉格光纖。纖芯不使用介質(zhì)的結(jié)構(gòu)稱為中空布拉格光纖。與其他傳輸太赫茲波的手段相比，如塑料光子晶體光纖、光子晶體波導(dǎo)、亞波長光纖、金屬線，中空布拉格光纖的損耗是最小。并且通過改變布拉格光纖纖芯、包層的折射率可以靈活的改變布拉格光纖的傳輸特性。普通的光纖的材料為石英，而石英在太赫茲波傳輸中的損耗很大，所以普通的光纖難以作為太赫茲波導(dǎo)。后來人們研制出了作為太赫茲波導(dǎo)的聚四氟乙烯塑料光纖，將布拉格光纖拓展到了太赫茲波段。又相繼出現(xiàn)了用高濃度聚乙烯所制作的塑料布拉格光纖，用于太赫茲波段表現(xiàn)出了低損耗和相對低色散的特性。用于太赫茲波的布拉格光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)在_量級，相對于可見光或者紅外波段的光子晶體光纖更容易制備。光子晶體對太赫茲開關(guān)可以比較有效的控制太赫茲波的傳輸。然而，這些功能性器件都有一個共同的缺點(diǎn):無論是對自由空間的太赫茲波，還是對波導(dǎo)或光纖中的太赫茲波實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制都需要將太赫茲波耦合進(jìn)開關(guān)，而耦合的過程，必然會帶來較大的損耗，例如將太赫茲波耦合進(jìn)光子晶體的損耗為1.2-5.8dB。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有布拉格光纖太赫茲波開關(guān)存在較大損耗的問題，提供一種磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)。本發(fā)明太赫茲開關(guān)可在用于傳輸?shù)牟▽?dǎo)或光纖上直接實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，用它控制太赫茲波不存在耦合損耗。本發(fā)明提供的磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)包括包層和纖芯，所述包層采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶層的兩端用高阻硅封口，使液晶E7處于封閉腔內(nèi)，中空的纖芯中放置銅絲，包層外周設(shè)置有螺線管。本發(fā)明布拉格光纖開關(guān)中所述包層包括12組交替排列的高密度聚乙烯和向列向液晶E7。所述太赫茲開關(guān)工作于ITHz，開關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是:長度為10cm，纖芯半徑為1548 μ m ;高密度聚乙烯在太赫茲波段折射率為nH=l.5，每層厚度為2113 μ m ;對于ITHz的太赫茲波，液晶E7的折射率為n0=1.57和ne=1.76，每層液晶的厚度4016μπι。高阻硅在太赫茲波段的折射率為3.418。所述中空纖芯中放置的銅絲半徑為280 μ m，銅絲的電導(dǎo)率取σ =51998 X 107Snm。
本發(fā)明的工作機(jī)理:在未加磁場時，由于每層高密度聚乙烯的內(nèi)外表面已經(jīng)過表面錨泊處理，液晶取向平行于高密度聚乙烯表面，垂直于光纖對稱軸，太赫茲波在E7中傳輸為O光,此時折射率與高密度聚乙烯相差較小，中空布拉格光纖的衍射損耗較大，開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)。當(dāng)螺線管中有電流通過時，產(chǎn)生與光纖對稱軸平行的磁場，液晶取向變?yōu)槠叫杏诠饫w對稱軸，太赫茲波在液晶E7中是e光，此時液晶E7的折射率與高密度聚乙烯相差較大，布拉格光纖的衍射損耗較小，開關(guān)處于開狀態(tài)。銅絲用于選擇單模傳輸。外加磁場通過螺線管產(chǎn)生，方向與光纖對稱軸平行。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:I)傳輸?shù)牟▽?dǎo)或光纖上直接實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，控制太赫茲波不存在耦合損耗。2)最主要優(yōu)點(diǎn)是易于和光纖稱合，有極聞的消光比。3)大孔徑的布拉格光纖制作工藝相對簡單且在其內(nèi)灌注液晶比較容易。


圖1是布拉格光纖太赫茲開關(guān)截面示意圖。圖2是圖2的俯視圖。圖3是未加磁場時液晶的取向(線段表示液晶取向)示意圖。圖4是加與光纖對稱軸平行的磁場時液晶的取向(線段表示液晶取向)示意圖。圖中:1.高密度聚乙烯、2.液晶E7、3.銅絲、4.高阻硅、5螺線管。
具體實(shí)施例方式以下將通過實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以做出形式上和細(xì)節(jié)上的多種變型。因此本發(fā)明絕不僅限于以下所述的實(shí)施例。實(shí)施例1如圖1至圖2所示，磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)，包括包層和纖芯，所述包層采用高密度聚乙烯(HDPE)I和向列相液晶E7 (圖中標(biāo)號2所示)交替排列，在填充液晶層的兩端用高阻硅4封口，使液晶E7處于封閉腔內(nèi)，中空的纖芯中放置銅絲3，包層外周設(shè)置有螺線管5。包層采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，本例的布拉格光纖開關(guān)采用12個周期，即13層高密度聚乙烯夾著12層液晶E7。高密度聚乙烯在太赫茲波段折射率為nH= 1.5，每層厚度為2113 μ m ;對于I THz的太赫茲波，液晶E7的折射率為n0=1.57和ne=1.76，每層液晶的厚度4016μπι。高阻硅在太赫茲波段的折射率為3.418。纖芯半徑為1548μπι ;中間為一根半徑為280 μ m的銅絲，銅絲的電導(dǎo)率取σ =51998X107Snm。布拉格光纖的模式分類與模場分布與普通光纖相似，因此，可以利用普通多模光纖的模式理論通過觀察光纖內(nèi)電磁場的強(qiáng)度和方向分布來判斷布拉格光纖的傳輸模式。布拉格光纖中，基模是TEtll,而普通光纖中基模是HE11,這是布拉格光纖與普通光纖的主要差別。
中空布拉格光纖的損耗主要來源于衍射損耗，包層周期變化的折射率，nl和n2相差越大，光纖的損耗越小。利用矩陣的方法計算表明，電場強(qiáng)度的每經(jīng)過一個折射率變化周期減少為原來的kl/k2，其中ki = [(ω/c)2 ε ιμ j-β2]172, i = 1，2，其中β為傳播常數(shù)，Si為介質(zhì)的介電常數(shù)。因此包層兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差越大，即折射率差越大，包層能流的泄漏就越小，光纖的損耗也就越小。由于采用有限元法得出的是有效折射率虛部，需要換算成損耗。如圖3所示，在未加磁場時，由于每層高密度聚乙烯的內(nèi)外表面已經(jīng)過表面錨泊處理，液晶取向平行于高密度聚乙烯表面，垂直于光纖對稱軸。加與光纖對稱軸平行的磁場時(如圖4所示)，液晶取向發(fā)生變化，當(dāng)磁場達(dá)到一定強(qiáng)度時，此時光軸也與光纖對稱軸平行。對于TEtll模，只存在Ee，不加磁場時，偏振方向(Ee)與主平面平行，液晶中的TEtll模相當(dāng)于e光，ne=l.76，此時折射率差較大，光纖的損耗較小，為開的狀態(tài)。加磁場時，液晶中的TEtll模傳播方向平行于光軸,取ο光折射率0=1.57，與nH相差較小，kl/k2較小，光纖的損耗較大，開關(guān)是關(guān)狀態(tài)。對于TEtll模，存在兩個分量Er和Ez,不加磁場時，偏振方向(Er)與主平面垂直，液晶中的TM01波相當(dāng)于ο光；加磁場時，液晶中的TMtll波傳播方向平行于光軸，也相當(dāng)于ο光,所以,對于TMtll模,此開關(guān)總是關(guān)的狀態(tài)。事實(shí)上，TM模在中空布拉格光纖中是損耗最大的模式，因此TM在傳輸過程中就已經(jīng)損耗掉。對于HE11模，由于太赫茲波段相對微波波段頻率較高，趨膚效應(yīng)更加強(qiáng)列，太赫茲波僅能在銅絲表面很薄的一層內(nèi)存在，而HE11模的場分布集中在光纖中心，這就使得銅絲能完全破壞HE11模的場分布。由于TEtll模和TMtll模的模場分布呈環(huán)狀光纖中心場強(qiáng)幾乎為零，因此這根銅絲并不會影響TEtll模和TMtll模的場分布對于更高階模，即使有相對較大的折射率差(0.3左右)，損耗也很大，所以也都不能通過開關(guān)。因此，本發(fā)明不僅有控制太赫茲波通過與否的功能，還能夠選擇基模傳輸。
權(quán)利要求
1.一種磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)，包括包層和纖芯，其特征在于所述包層米用高密度聚乙烯和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶層的兩端用高阻硅封口，使液晶E7處于封閉腔內(nèi)，中空的纖芯中放置銅絲，包層外周設(shè)置螺線管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲開關(guān)，其特征在于所述包層包括12組交替排列的高密度聚乙烯和向列向液晶E7。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲開關(guān)，其特征在于所述太赫茲開關(guān)工作于ITHz，開關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是:長度為10cm，纖芯半徑為1548 μ m;包層中每層高密度聚乙烯在太赫茲波段折射率為nH=l.5，厚度為2113 μ m ;對于ITHz的太赫茲波，每層液晶E7的折射率為η0=1.57 和 ne=l.76，液晶的厚度 4016 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的太赫茲開關(guān)，其特征在于所述中空纖芯中放置的銅絲半徑為280 μ m，銅絲的電導(dǎo)率取σ =51998X107S/m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的太赫茲開關(guān)，其特征在于所述高阻硅在太赫茲波段的折射率為3.418。
全文摘要
一種磁場可調(diào)的布拉格光纖太赫茲開關(guān)。包括包層和纖芯，所述包層采用高密度聚乙烯(HDPE)和向列相液晶E7交替排列，在填充液晶層的兩端用高阻硅封口，使液晶E7處于封閉腔內(nèi)，中空的纖芯中放置銅絲，包層外周設(shè)置有螺線管。當(dāng)螺線管中有電流通過時，產(chǎn)生與光纖對稱軸平行的磁場，液晶取向變?yōu)槠叫杏诠饫w對稱軸，太赫茲波在液晶E7中是e光，此時液晶E7的折射率與高密度聚乙烯相差較大，布拉格光纖的衍射損耗較小，開關(guān)處于開狀態(tài)。因此，本發(fā)明太赫茲開關(guān)在傳輸?shù)牟▽?dǎo)或光纖上直接實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，控制太赫茲波不存在耦合損耗，且易于和光纖耦合，有極高的消光比。大孔徑的布拉格光纖制作工藝相對簡單且在其內(nèi)灌注液晶比較容易。
文檔編號G02F1/13GK103149714SQ20131006936
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者任廣軍, 高欣 申請人:天津理工大學(xué)