專利名稱：一種太赫茲光子晶體光纖耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲傳輸技術(shù)，尤其涉及一種基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲耦合器。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz，簡稱THz)波位于電磁波譜中微波與紅外波段之間，是指頻率在0.廣10 THz (波長為30 3000 μ m)范圍內(nèi)的電磁波(1 THz=IO12 Hz)。太赫茲波在高數(shù)據(jù)率通信、光譜應(yīng)用、醫(yī)學(xué)與生物探測等方面都有重要作用。太赫茲波極易被介質(zhì)材料吸收，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在0. 5 THz時吸收損耗為4. 3 cm—1 ；高密度聚乙烯(HDPE) 在0. 1 3THz波段的吸收損耗小于1 cm—1，好于聚甲基丙烯酸甲酯；而吸收損耗較低的聚四氟乙烯(Teflon)，在1 THz (即波長為300微米)時的吸收損耗仍達(dá)到了 0. 3 cnT1 (即約 130 dB/m) [G. Masahiro, et al. "Teflon Photonic Crystal Fiber as Terahertz Waveguide (聚四氟乙烯太赫茲光子晶體光纖波導(dǎo))，” Japanese Journal of Applied Physics, 2004，43 (2B), L317-L319]。光纖定向耦合器可實(shí)現(xiàn)將一束光分為兩束或幾束光，是一種常用的光無源器件。一種比較簡單的太赫茲光纖耦合器結(jié)構(gòu)是將兩根普通光纖靠得很近，從而使太赫茲波從一根光纖耦合到另一根光纖[A. Dupuis, et al.，"Fabrication and THz loss measurements of porous subwavelength fibers using a directional coupler method (太赫茲亞波長光纖的制作及采用方向耦合器測量其損耗的研究)，” Optics Express, 2009, 17(10)，8012-80 ]。這種耦合光纖的優(yōu)點(diǎn)是太赫茲波有很大一部分能量在光纖外傳輸，從而減少材料對太赫茲能量的吸收，降低了其傳輸損耗。然而這種耦合光纖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很難控制能量耦合的程度，而且容易造成散射損耗。Kristian Nielsen等人提出一種太赫茲光纖方向華禹合器[K. Nielsen, et al. "Broadband terahertz fiber directional coupler (寬帶太赫茲光纖方向耦合器)，〃 Optics Letters, 2010, 35(17), 2879-2881], 通過在雙芯光子晶體光纖的兩個纖芯中引入多個小的空氣孔，可以實(shí)現(xiàn)寬帶的耦合。但這種光纖的長度近20 cm，對于極易被介質(zhì)吸收的太赫茲波而言，其長度過長。例如，設(shè)基質(zhì)材料為Teflon，其在300微米波長時的吸收損耗為130 dB/m，則太赫茲波經(jīng)過這個器件后，總能量將被衰減26 dB。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制耦合器的長度，從而避免太赫茲波在耦合器中傳輸時過大的能量損失。與近紅外光相比，太赫茲波的波長要長得多，因此，具有較寬工作帶寬的太赫茲耦合器，在實(shí)際應(yīng)用中將有優(yōu)勢。所以既能夠在較寬的帶寬范圍內(nèi)工作、又具有低的傳輸損耗，是太赫茲光纖耦合器實(shí)際應(yīng)用的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)低損耗、寬帶寬工作、性能穩(wěn)定的太赫茲光子晶體光纖耦合器。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種太赫茲光子晶體光纖耦合器，包括包層和纖芯，所述纖芯為三個，由位于正六邊形頂點(diǎn)的內(nèi)層空氣孔包圍而成，其中第一纖芯由位于基質(zhì)材料中心位置，第二纖芯和第三纖芯對稱的位于所述第一纖芯兩側(cè)；所述包層由纖芯以外的外層空氣孔、內(nèi)層空氣孔和基質(zhì)材料組成，多個所述外層空氣孔在所述內(nèi)層空氣孔外圍成網(wǎng)絡(luò)， 且相鄰所述外層空氣孔之間等間距；所述第一纖芯為輸入端，所述第二纖芯和第三纖芯為輸出端；光纖耦合器的長度等于纖芯基模的耦合長度；所述內(nèi)層空氣孔和外層空氣孔的孔周期」相同，所述外層空氣孔的直徑為和內(nèi)層空氣孔的直徑必之間的關(guān)系滿足^ > Ci20進(jìn)一步，所述外層空氣孔的直徑為和內(nèi)層空氣孔的直徑^滿足^= 4=義且滿足 d/A彡0. 5，0. 5λ ^ /1彡1.2λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL。進(jìn)一步，所述外層空氣孔的直徑為和內(nèi)層空氣孔的直徑必滿足為〉4，且滿足4/ A 彡 0. 5，d/A 彡 1. 2-d^/A ,0.5 λ ^ Λ 彡 λ。本發(fā)明的技術(shù)效果是采用三個纖芯組成的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不但可在極短的光纖長度實(shí)現(xiàn)分光的功能，還具有寬波長范圍工作、兩個輸出端輸出能量一致、偏振相關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)。這種光纖結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝成熟，性能穩(wěn)定。


圖1為太赫茲光纖耦合器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2太赫茲波在三芯耦合器中的模場變化圖3為光纖耦合長度隨孔周期的變化曲線圖4為空氣孔為三層時單個纖芯的光子晶體光纖的束縛損耗隨孔周期的變化曲線；
圖5為光纖ζ偏振光的耦合長度隨內(nèi)層空氣孔直徑式的變化曲線； 圖6雙芯耦合器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7雙芯耦合器插入損耗隨波長的變化曲線； 圖8實(shí)施例1中的插入損耗與偏振相關(guān)損耗隨波長的變化曲線； 圖9實(shí)施例2中的插入損耗與偏振相關(guān)損耗隨波長的變化曲線； 其中1-基質(zhì)材料，2-外層空氣孔，3-內(nèi)層空氣孔，4-第一纖芯、5-第二纖芯、6-第三纖芯。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，光纖由基質(zhì)材料1和排布在規(guī)則網(wǎng)格上的外層空氣孔2和內(nèi)層空氣孔3組成，光纖具有三個纖芯，即位于基質(zhì)材料1中心位置的第一纖芯4，對稱排布在第一纖芯兩側(cè)的第二纖芯5和第三纖芯6。三個纖芯均由規(guī)則網(wǎng)格中缺失的一個空氣孔所組成。 太赫茲波從中間纖芯輸入，從兩側(cè)纖芯輸出，光纖耦合器的長度等于纖芯基模的耦合長度。太赫茲波從第一纖芯4輸入時，太赫茲波將在三個纖芯中進(jìn)行周期性的能量轉(zhuǎn)移。即太赫茲波將逐漸被傳輸?shù)絻蓚?cè)纖芯，然后又重新回到第一纖芯4。因此，若將光纖耦合器的長度取為其基模耦合長度，則從第一纖芯4輸入的太赫茲波，將從兩側(cè)纖芯輸出。圖 2(a) (b) (c)分別代表在傳輸距離為為0，Z。/2，Z。時的模場的分布圖，Ζ。代表基模的耦合長度，即圖太赫茲波從第一纖芯4輸入(圖2 (a))，逐漸向第二纖芯5和第三纖芯6轉(zhuǎn)移(圖 2(b)),并最終完全轉(zhuǎn)移到第二纖芯5和第三纖芯6 (圖2 (c))。由于光纖的對稱性，從兩側(cè)纖芯輸出的能量是相同的，具有很好的一致性。由于這種對稱性的輸出，不同波長的太赫茲波輸入時，只會存在輸出能量大小的差別，而兩端輸出的能量大小是一樣的。定義空氣孔的直徑為i/且外層空氣孔2直徑為和內(nèi)層空氣孔3直徑必滿足為= 4=^/，相鄰的兩個孔的孔中心的間距，即孔周期為力。為有效降低基質(zhì)材料對太赫茲波的吸收，在保證模式泄露較小的前提下，耦合器的長度應(yīng)足夠小。實(shí)現(xiàn)方法為取較小的孔周期力以獲得短的耦合長度和較大的歸一化孔直徑 //」以降低傳輸模式的束縛損耗?？字芷谝膊荒苓^小，否則束縛損耗會很大，同時纖芯尺寸也會很小，從而不利于將太赫茲波引入到光纖中。具體為要求為空氣孔直徑J與孔周期」應(yīng)滿足 //」彡0.5,0.5 λ彡」彡1.2入。 這里λ為傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL。由于太赫茲波極易被介質(zhì)吸收，而光纖耦合長度越大，能量損耗越大。雖然在相同的孔周期前提下，空氣孔直徑越小，其耦合長度也越短，但小空氣孔也會帶來束縛損耗增大的問題。圖3給出了太赫茲波的波長為300 μ m時，光纖的耦合長度隨孔周期的變化曲線。 由于束縛損耗的關(guān)系，光纖可實(shí)現(xiàn)有效工作的耦合長度是有下限的，因?yàn)榭字芷谠叫?，包層對模式的束縛能力越弱，模式的束縛損耗也就越大。因此，圖中只給出了能夠?qū)崿F(xiàn)有效的低損耗傳輸?shù)那闆r下的耦合長度曲線(當(dāng)然，理論上講耦合長度沒有上限，因此，耦合長度還可以比圖中的更長)。從圖中可以看出，對應(yīng)不同的歸一化孔直徑 //」時，光纖所能達(dá)到的最短耦合長度是不同的。從圖3可以看出，光纖耦合長度隨孔周期」的增大而增大；當(dāng) // ^值增大時，圖中曲線向左偏移，即光纖能達(dá)到更短的耦合長度。圖4給出了空氣孔為三層時，單個纖芯時的光子晶體光纖的束縛損耗隨孔周期的變化曲線。當(dāng)空氣孔的歸一化直徑較小時，將需要在更大的孔周期下工作，才具有低的束縛損耗。而在相同的束縛損耗要求下，其耦合長度是不同的。例如，在模式的束縛損耗都為1 dB/m時， //力=0.3，0.5和0. 7 對應(yīng)的模式的耦合長度分別為7.40 cm，3. 05 cm, 1.27 cm。因此，可見，在同樣的束縛損耗要求下，空氣孔的歸一化直徑較大時，可達(dá)到更短的模式耦合長度。本發(fā)明是通過采用歸一化直徑較大的空氣孔來束縛光(當(dāng)然歸一化直徑越大，模式的耦合長度也會越長)，而利用空氣孔的歸一化直徑較大時，光纖可取更小的孔周期，從而減小耦合長度，并保證有效傳輸。從圖3還可以看出，當(dāng)孔周期小到一定程度后，再減小孔周期，其耦合長度的減小就不明顯了。以上方法已經(jīng)可以獲得工作波長為300 μ m時長度在厘米量級的低損耗耦合器。若要進(jìn)一步改進(jìn)耦合器的損耗特性，則存在一定的困難。因?yàn)檫@里減小耦合長度的方法為減小孔周期；同時，為避免模式泄露，需增大空氣孔的歸一化直徑。而空氣孔的歸一化直徑的增大，實(shí)際上除了減小模式束縛損耗外，還會導(dǎo)致其耦合長度的增加。這是因?yàn)榭諝饪椎臍w一化直徑的增大，實(shí)際上就是增大了包層和纖芯的折射率差，從而增強(qiáng)了空氣孔的束縛能力，使太赫茲波向纖芯集中，減少了各纖芯模式之間的重疊區(qū)域，從而使耦合長度增加。同時，由于能量主要是集中在基質(zhì)材料區(qū)，纖芯模式是通過纖芯之間孔的間隙處交換能量、實(shí)現(xiàn)耦合的。因而，孔周期的減小，本身也減小了纖芯之間孔的間隙寬度；而空氣孔的歸一化直徑增大后，間隙變得更窄，因而纖芯之間的耦合也變得更為困難。這樣，通過減小孔周期來減小耦合長度的方法，有一定的限度。由模式場理論，光子晶體光纖模式的有效折射率主要取決于其纖芯周圍空氣孔的參數(shù)，而外側(cè)空氣孔主要起束縛光的作用。因此，我們可以通過減小包圍纖芯的最內(nèi)層的空氣孔的方法來減小光纖的耦合長度，同時增大纖芯外層空氣孔來減小光的泄露，從而獲得具有更短長度的耦合器。因此改變光纖耦合器的結(jié)構(gòu)，使外層空氣孔2的直徑J1與內(nèi)層空氣孔3的直徑式的關(guān)系滿足4>式。太赫茲波從第一纖芯4輸入，從兩側(cè)纖芯輸出，光纖長度等于纖芯基模的耦合長度。內(nèi)層空氣孔的歸一化直徑 //」較小，而外層空氣孔的歸一化直徑 //」較大。這樣由于內(nèi)層空氣孔較小，其對纖芯中模式的束縛能力變?nèi)?，纖芯中傳輸?shù)哪Ｊ綀鱿蛲鈹U(kuò)展得比較多，從而纖芯之間的模式場重疊區(qū)域增大；同時，纖芯之間的空氣孔也變小，因而也更有利于模式之間的耦合。這樣，其耦合長度變短。另一方面，由于內(nèi)層空氣孔的減小，光纖的束縛損耗會增加，此時，可通過增大外層空氣孔的直徑來減小損耗。因此，與前一種方案不同，本方案通過采用小的空氣孔歸一化直徑和小的孔周期來獲得短的模式耦合長度， 同時通過增大纖芯外層空氣孔的歸一化直徑的方法來有效地避免了太赫茲波的泄露。需要指出的是，并不可以直接只減小纖芯之間的兩個空氣孔來減小耦合長度，因?yàn)檫@樣會破壞纖芯的折射率分布的對稱性，從而導(dǎo)致模式場的變形和光纖雙折射的產(chǎn)生， 影響輸出的太赫茲波的質(zhì)量。作為優(yōu)化的方案，要求光纖外層空氣孔2直徑J1、纖芯內(nèi)層空氣孔3直徑式、孔周期」之間滿足4/Λ彡0. 5，d/A彡1. l-d/Λ，0. 5 λ < Λ彡λ。即孔周期較小和內(nèi)層空氣孔3也較小，從而有效地減小耦合長度；而外層空氣孔2需要足夠大，并且內(nèi)層空氣孔3越小，外層空氣孔2要求越大，這樣才能有效地束縛太赫茲波。圖5表示當(dāng)為〉這時，光纖χ偏振光的耦合長度隨內(nèi)層空氣孔直徑式的變化曲線。 這里太赫茲波的波長為300 μπι，孔周期」=200 μ m。其中虛線對應(yīng)外層空氣孔的直徑J1/ ^ =0. 85時的結(jié)果。而實(shí)線表示外層空氣孔的直徑J1與內(nèi)層空氣孔的直徑式相等時，耦合長度的變化曲線。兩條曲線在內(nèi)層空氣孔的直徑式較大時重合得很好，這也證明外層空氣孔的大小對耦合長度的影響是很小的。從圖中還可以看出，當(dāng)外層空氣孔較大時，光纖耦合長度可達(dá)0.6 cm以下；而當(dāng)內(nèi)層空氣孔和外層空氣孔直徑相同時，光纖只能在圖中實(shí)線部分的區(qū)間能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗的耦合，耦合長度較大。因此，外層空氣孔的直徑的變化，對光纖的耦合長度影響是很小的，而其對太赫茲波的束縛能力的增強(qiáng)的效果是顯著的。以下實(shí)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。這里引入一個參數(shù)為光纖的插入損耗，即光纖耦合器單邊末端的能量輸出百分比，用分貝(dB)來計(jì)量，即插入損耗為
/=IOlog^ (dB)
式中I表示光纖的插入損耗，P0表示光纖耦合器單邊末端輸出能量，Pi表示入射波總能量。取插入損耗小于3. 4 dB的波長范圍為其工作帶寬。實(shí)施例一
取外層空氣孔2直徑為和內(nèi)層空氣孔3直徑必滿足為=d2:d。取光纖參數(shù)為孔周期 A =240 μ m，空氣孔直徑 /=144 μ m0在波長2 =300 μ m時，得到其χ偏振的耦合長度為 1.968 cm，_F偏振的耦合長度為2. 193 cm。取χ偏振的耦合長度為光纖耦合器的長度，由此得到耦合器的帶寬隨波長變化的曲線如圖8所示。在要求其插入損耗小于3. 4 dB的前提下，可以得到此耦合器的帶寬范圍為四5 330 ym，帶寬為35 μ m。以χ偏振為例說明耦合器輸出能量的大小。計(jì)算得出吸收損耗為2. 558 dB，再加上通過耦合器的插入損耗3 dB, 輸出能量即為5. 558 dB，換算之后即為單邊纖芯輸出能量約占總能量的27. 81%。實(shí)施例二
取外層空氣孔2直徑為和內(nèi)層空氣孔3直徑為滿足為〉d20空氣孔周期為」=200 μ m，外層空氣孔的歸一化直徑=0. 85，內(nèi)層空氣孔的歸一化直徑 ^/ζ -0. 45，即為=170 μ m，4=90 μ m。此時，光纖χ偏振模式的耦合長度為0. 636 cm, 偏振模式為0. 653 cm。 因?yàn)楣饫wζ和_7偏振的耦合長度相差很小，所以取光纖的長度為ζ偏振的耦合長度，其帶寬變化曲線如圖9所示。如圖所示，當(dāng)波長在觀5 325 μ m的范圍內(nèi)，耦合器的插入損耗皆小于3.4 dB，帶寬為40 μπι。以χ偏振為例計(jì)算，得出在中心波長300 ym處，單邊輸出端輸出能量為總能量的41. 43%，兩邊輸出的總能量為輸入總能量的82. 86%，所以傳輸過程中能量僅損失了約17%，大大降低了吸收損耗。此類結(jié)構(gòu)改善了耦合器的傳輸性能，提高了太赫茲波的傳輸效率。采用如圖6所示，去除第二纖芯5，變?yōu)殡p芯結(jié)構(gòu)而非三芯結(jié)構(gòu)同樣可以獲得定向耦合器，如取 //力=0. 6，/1 =240 μ m，入射太赫茲波為1 THz，其χ偏振的插入損耗隨波長的變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，兩個纖芯的能量分布呈互補(bǔ)的狀態(tài)，當(dāng)光纖插入損耗達(dá)到3 dB時(即兩個纖芯能量分別為50%)，計(jì)算得出χ偏振的耦合長度為1.764 cm。但此時曲線斜率較大，插入損耗隨波長的變化很快。從圖中看出，取帶寬要求為插入損耗小于 3.4 dB，則其帶寬還不到10 μπι。而且此類結(jié)構(gòu)的耦合器結(jié)構(gòu)不對稱，兩個纖芯能量分布不均勻?；谌窘Y(jié)構(gòu)光子晶體光纖的太赫茲耦合器將從中心進(jìn)入的太赫茲波能量均分到旁邊兩個纖芯，而且光纖耦合長度較短，能量容易控制，光纖的帶寬也比雙芯耦合器要寬很多，所以三芯耦合器要比雙芯結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲光子晶體光纖耦合器，包括包層和纖芯，其特征在于所述纖芯為三個， 由位于正六邊形頂點(diǎn)的內(nèi)層空氣孔(3)包圍的基質(zhì)材料組成，其中第一纖芯由位于基質(zhì)材料中心位置，第二纖芯(5)和第三纖芯(6)對稱的位于所述第一纖芯(4)兩側(cè)；所述包層由纖芯以外的外層空氣孔(2)、內(nèi)層空氣孔(3)和基質(zhì)材料組成，多個所述外層空氣孔 (2)在所述內(nèi)層空氣孔(3)外圍成網(wǎng)絡(luò)，且相鄰所述外層空氣孔(2)之間等間距；所述第一纖芯(4)為輸入端，所述第二纖芯(5)和第三纖芯(6)為輸出端；光纖耦合器的長度等于纖芯基模的耦合長度；所述內(nèi)層空氣孔(3)和外層空氣孔(2)的孔周期」相同，所述外層空氣孔O)的直徑^和內(nèi)層空氣孔(3)的直徑必之間的關(guān)系滿足^ ^ d2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲光子晶體光纖耦合器，其特征在于所述外層空氣孔O)的直徑為和內(nèi)層空氣孔(3)的直徑^滿足^= 4=么且滿足J/力彡0.5， 0.5λ彡力彡1.2λ，其中λ為傳輸?shù)奶掌澆ǖ牟ㄩL。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲光子晶體光纖耦合器，其特征在于所述外層空氣孔O)的直徑^和內(nèi)層空氣孔(3)的直徑^滿足為> 4，且滿足4/」^ 0. 5, d/ /1^1. 2-d^/A ,0.5 λ ^ Λ 彡 λ。
全文摘要
本發(fā)明公開一種太赫茲光子晶體光纖耦合器。包括包層和纖芯，所述纖芯為三個，由位于正六邊形頂點(diǎn)的內(nèi)層空氣孔(3)包圍而成，其中第一纖芯(4)由位于基質(zhì)材料(1)中心位置，第二纖芯(5)和第三纖芯(6)對稱的位于所述第一纖芯(4)兩側(cè)；外層空氣孔(2)組成的網(wǎng)絡(luò)位于所述內(nèi)層空氣孔周圍，且相鄰孔等間距；所述第一纖芯(4)為輸入端，所述第二纖芯(5)和第三纖芯(6)為輸出端；所述內(nèi)層空氣孔(3)和外層空氣孔(2)的孔周期Λ相同，所述外層空氣孔(2)的直徑d1和內(nèi)層空氣孔(3)的直徑d2之間的關(guān)系滿足d1≥d2。該發(fā)明具有寬波長范圍工作、輸出穩(wěn)定、傳輸損耗和偏振相關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B6/036GK102289032SQ20111028498
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者付曉霞, 張永康, 陳明陽 申請人:江蘇大學(xué)