專利名稱：一種傳輸太赫茲波的光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種用于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。太赫茲波可以采用金屬線等方法來進行傳輸，也可以采用光纖結(jié)構(gòu)。對于太赫茲光纖來說，其主要問題是太赫茲波極易被介質(zhì)材料吸收。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微結(jié)構(gòu)光纖，如多孔光纖[S. Atakaramians, et al.，"Porous fibers: a novel approach to low loss THz waveguides (多孔光纖制作低損耗太赫茲波導(dǎo)的新方法)，”0pt. 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(數(shù)值分析塑料空芯微結(jié)構(gòu)光纖在太赫茲波段的應(yīng)用)，” Opt. Fiber Technol. , 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。國家發(fā)明專利“一種實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖(ZL 200610102211.1)”公開了采用蜘蛛網(wǎng)狀的空芯光纖，可以實現(xiàn)低吸收損耗的太赫茲波傳輸，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。采用亞波長尺寸的光纖也可以獲得低損耗的太赫茲傳輸[L.-J. Chen, et al., ^Low-loss subwavelength plastic fiber for terahertz waveguiding(用于傳輸太赫茲波的低損耗亞波長塑料光纖)，"Opt. Lett. , 2006, 31(3): 308]。它實際上是將亞波長的光纖作為纖芯，外界空氣作為包層，當纖芯尺寸較小，從而較多能量在空氣中傳輸時，由光纖的材料吸收引起的損耗就可能降低。這種結(jié)構(gòu)的缺點是，光纖的直徑不能過小，否則光纖的機械性能差；同時，太赫茲波在光纖外的傳輸能量過多，容易受外界環(huán)境的干擾。還可以采用支撐條結(jié)構(gòu)，將纖芯懸在空氣中[M. Roze, et al. , "Suspended core subwavelength fibers: towards practical designs for low-loss terahertz guidance(懸空纖芯亞波長光纖用于實現(xiàn)低損耗太赫茲傳輸?shù)膶嶋H設(shè)計)，"Opt. Express, 2011，19(10): 9127]。但這種結(jié)構(gòu)制作復(fù)雜，同時，支撐條的存在，仍然會增大材料對太赫茲波的吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、低損耗傳輸太赫茲波的光纖。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種傳輸太赫茲波的光纖，包括主體和連接于所述主體兩端的連接頭；所述主體由包層和主體纖芯組成，所述主體纖芯為基質(zhì)材料制成的實芯棒，所述包層是由氣體或真空的內(nèi)包層和圓管形外包層組成；所述連接頭由連接頭纖芯和與所述連接頭纖芯固定連接的連接頭包層組成，所述連接頭纖芯和所述主體纖芯連成一體，且材料和直徑相同；所述連接頭包層與所述外包層密閉連接。進一步，所述主體纖芯的半徑滿足V<2. 405，這里 ,=宇批-1 , r為主體纖芯的半徑，Λ為傳輸?shù)奶掌澆ㄩL，ncore為主體纖芯的折射率。進一步，所述連接頭纖芯與連接頭包層的折射率差Δ η滿足Δη <0.02。進一步，所述連接頭的長度L。滿足L。彡10 mm且L。彡502。進一步，所述連接頭包層的外徑小于等于所述外包層的內(nèi)徑。進一步，所述主體長度小于1米。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明采用連接頭實現(xiàn)對光纖主體纖芯的固定，使纖芯被懸空，從而既可以獲得低損耗的傳輸，又能夠避免外界環(huán)境對太赫茲傳輸?shù)母蓴_；采用連接頭將亞波長尺寸的主體纖芯懸置在氣體或真空中，從而有效地避免了采用支撐條等結(jié)構(gòu)時，支撐條材料對太赫茲波的吸收。而圓管形外包層的應(yīng)用避免了主體纖芯直接暴露在空氣中易受到外界環(huán)境的干擾，以及性能穩(wěn)定性差等問題。并且與直接采用亞波長光纖傳輸太赫茲波的結(jié)構(gòu)比較而言，這種光纖的纖芯直徑可以更小，從而有效地降低了吸收損耗。


圖1為光纖主體的橫截面示意圖； 圖2為光纖連接頭的橫截面示意圖3為主體纖芯直徑為100 μ m時，輸入端連接頭的連接損耗與折射率差的關(guān)系曲線； 圖4為為主體纖芯直徑為205. 4 μ m時，輸入端連接頭的連接損耗與折射率差的關(guān)系曲線；
圖5為光纖輸出端連接頭的連接損耗與折射率差的關(guān)系曲線；
其中1-主體纖芯；2-內(nèi)包層；3-外包層；4-連接頭纖芯；5-連接頭包層。
具體實施例方式一種太赫茲傳輸光纖，包括光纖主體和連接于主體兩端的連接頭。如圖1所示，光纖主體的主體纖芯1是基質(zhì)材料制成的實芯棒，包層由氣體或真空的內(nèi)包層2和圓管形的外包層3組成，主體纖芯1位于外包層3的圓管中心位置。太赫茲波主要在主體纖芯和內(nèi)包層中傳輸，外包層主要起將傳輸?shù)奶掌澆ㄅc外界隔開的作用。如圖2所示，連接頭由連接頭纖芯4和連接頭包層5組成，連接頭纖芯4與主體纖芯1連接為一體(在實際制作中，連接頭纖芯4可以為主體纖芯5的延長部分)，且與主體纖芯1的材料和直接相同；連接頭包層5與外包層密閉連接，且與外包層的材料相同。連接頭除了具有固定纖芯的作用外，同時也將整根光纖封閉起來，避免外界氣體進入光纖內(nèi)部。光纖應(yīng)保持單模傳輸，因此，其歸一化頻率V應(yīng)滿足V<2. 405，即主體纖芯1的半
徑r滿足F = $—1 ,且V<2. 405。這里r為主體纖芯1的半徑，2為傳輸?shù)奶掌澆ㄩL，《。_為主體纖芯1的折射率。
連接頭在輸入和輸出端的耦合效率是不同的。在輸入端，連接頭的數(shù)值孔徑一般遠小于光纖主體的數(shù)值孔徑。由于光纖的聚光能力強，因此，其耦合效率較高。連接頭纖芯 4和連接頭包層5的折射率差可以大一些。但也不能超過一定值，因為當其數(shù)值孔徑較大時，連接頭與光纖主體在場分布上的差異明顯，其耦合效率降低。只有當連接頭的數(shù)值孔徑增大到與光纖主體相當時，其耦合效率才會開始增加。但由于兩者纖芯要匹配，折射率必須相同，因而只能減小連接頭包層的折射率，但這在技術(shù)上很難做到，因為很難找到折射率接近于1且機械性能較好的固體材料。從圖3和圖4對比可見，當主體纖芯1的尺寸較小時， 輸入端的連接頭纖芯4與連接頭包層5的折射率差可以更大一些。而當主體纖芯1尺寸較大時，要求輸入端連接頭纖芯4與連接頭包層5的折射率差需較小。由于太赫茲波是從小數(shù)值孔徑的光纖頭進入大數(shù)值孔徑的光纖主體，當輸入端連接頭數(shù)值孔徑較小時，其連接損耗很小。為保證連接損耗較小，優(yōu)選連接頭纖芯4與連接頭包層5的折射率差Δη滿足 Δη ( 0. 02。對于輸出端連接頭，由于太赫茲波是從數(shù)值孔徑大的光纖主體進入到數(shù)值孔徑小的光纖連接頭，因此，在理論上這種耦合會更困難。但當連接頭長度較短時，仍然可以實現(xiàn)較高的耦合效率。如圖5所示，只有當太赫茲波在連接頭處傳輸較長距離時，其損耗才逐漸增大。因此，只要連接頭小于一定長度，其損耗就可以較低。作為優(yōu)化的方案，要求連接頭的長度L。應(yīng)滿足L。彡10 mm且L。彡502。這是因為連接頭處太赫茲波在材料中傳輸，為減小連接頭處材料吸收引起的損耗，連接頭長度不能太長。另一方面，對于輸出端而言，較短的光纖長度可以有效減小太赫茲波由于數(shù)值孔徑的不匹配引起的損耗。當太赫茲波長較短時，允許的連接頭長度遠小于10 mm,因此，可以以波長作為參考要求L。< 502，否則輸出端的耦合損耗較大；而當太赫茲波長較長時，連接頭最好也要小于10mm，否則，隨著連接頭長度增加，其材料的吸收損耗會相應(yīng)增大。不同的主體纖芯1參數(shù)下，對外包層的內(nèi)徑大小要求也是不同的。外包層內(nèi)徑過小，會導(dǎo)致光纖的束縛損耗增大。主體纖芯直徑越小，太赫茲波向外擴展得越多，要求外包層的內(nèi)徑也要越大。本發(fā)明的太赫茲光纖的制作過程為首先制作主體纖芯1和圓管形外包層3，以及連接頭包層5。其中連接頭包層5的外徑與圓管形外包層3的內(nèi)徑相同或比管狀包層的內(nèi)徑略小。然后將主體纖芯放入圓管中，再將兩端的連接頭包層5分別穿入主體纖芯兩端，并將連接頭包層5壓入圓管形外包層3內(nèi)。再將主體纖芯1兩端拉直，并采用熔接或粘接的方法將主體纖芯1與連接頭包層5固定在一起。最后去除纖芯突出的部分。為方便壓入與固定，連接頭包層5可以做成錐形。為保證光纖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，光纖長度一般在1 m以內(nèi)。 為了降低空氣中的水汽對太赫茲波的吸收，光纖內(nèi)包層2中可以采用填充經(jīng)過干燥處理的空氣。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。實施例一
光纖截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，連接頭橫截面如圖2所示。輸入端連接頭長度為10 mm，輸出端連接頭長度為10 mm，主體纖芯1直徑為100 μ m，內(nèi)包層2為空氣，外包層3的內(nèi)徑為 3000 μ m,外徑為6000 μ m。主體纖芯1折射率為1. 5，外包層3折射率為1. 49，連接頭纖芯4所用材料與主體纖芯1相同，連接頭包層5所用材料與外包層3相同。入射太赫茲波
5長為300 μ m時，在光纖中傳輸時的總損耗小于15 dB/m。
實施例二
光纖截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，連接頭橫截面如圖2所示。輸入端連接頭長度為5 mm，輸出端連接頭長度為5mm，主體纖芯1直徑為150 μ m,內(nèi)包層2為空氣，外包層3的內(nèi)徑為2000 μ m,外徑為4000 μ m。主體纖芯1折射率為1. 5，外包層3折射率為1. 49，連接頭纖芯4所用材料與主體纖芯1相同，連接頭包層5所用材料與外包層3相同。入射太赫茲波長為300 μ m時，在光纖中傳輸時的總損耗小于70 dB/m。
實施例三
光纖截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，連接頭橫截面如圖2所示。輸入端連接頭長度為10 mm，輸出端連接頭長度為5mm，主體纖芯1直徑為80 μ m，內(nèi)包層2為空氣，外包層3的內(nèi)徑為6000 μ m,外徑為10000 μ m。主體纖芯1折射率為1. 5，外包層3折射率為1. 48，連接頭纖芯4 所用材料與主體纖芯1相同，連接頭包層5所用材料與外包層3相同。入射太赫茲波長為 300 μ m時，在光纖中傳輸時的總損耗小于3 dB/m。
權(quán)利要求
1.一種傳輸太赫茲波的光纖，其特征在于包括主體和連接于所述主體兩端的連接頭；所述主體由包層和主體纖芯(1)組成，所述主體纖芯(1)為基質(zhì)材料制成的實芯棒，所述包層是由氣體或真空的內(nèi)包層(2)和圓管形外包層(3)組成；所述連接頭由連接頭纖芯 (4)和與所述連接頭纖芯(4)固定連接的連接頭包層(5)組成，所述連接頭纖芯(4)和所述主體纖芯(1)連成一體，且材料和直徑相同；所述連接頭包層(5)與所述外包層(3)密閉連接，與連接頭纖芯(4)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種傳輸太赫茲波的光纖， 其特征在于所述主體纖芯(1)的半徑滿足V<2.405，這里F =l，r為主體纖芯(1)的半徑，2為傳輸?shù)奶掌澆ㄩL，/ 。_為主體纖芯(1)的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種傳輸太赫茲波的光纖，其特征在于所述連接頭纖芯(4)與連接頭包層(5)的折射率差Δη滿足Δη<0.02。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種傳輸太赫茲波的光纖，其特征在于所述連接頭的長度 L。滿足L。^ 10 mm 且 L。彡 502。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種傳輸太赫茲波的光纖，其特征在于所述連接頭包層(5)的外徑小于等于所述外包層(3)的內(nèi)徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種傳輸太赫茲波的光纖，其特征在于所述主體長度小于1米。
全文摘要
本發(fā)明公開一種傳輸太赫茲波的光纖，該光纖包括主體和連接于所述主體兩端的連接頭；所述主體由包層和主體纖芯(1)組成，所述主體纖芯(1)為基質(zhì)材料制成的實芯棒，所述包層是由氣體或真空的內(nèi)包層(2)和圓管形外包層(3)組成；所述連接頭由連接頭纖芯(4)和與所述連接頭纖芯(4)固定連接的連接頭包層(5)組成，所述連接頭纖芯(4)和所述主體纖芯(1)連成一體，且材料和直徑相同；所述連接頭包層(5)與所述外包層(3)密閉連接，與連接頭纖芯(4)固定連接。該光纖能實現(xiàn)低損耗的傳輸?shù)耐瑫r降低外界環(huán)境對太赫茲傳輸?shù)母蓴_。
文檔編號G02B6/036GK102338905SQ201110284989
公開日2012年2月1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