專利名稱：一種太赫茲保偏光纖及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及太赫茲保偏光纖結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
太赫茲保偏光纖的研究尚處于起步階段，文獻多為理論研究結(jié)果，實際制備的太赫茲保偏光纖很少。通常采用幾何結(jié)構(gòu)的不對稱性引入雙折射，模式雙折射(相雙折射)可達10_2數(shù)量級。已報道的太赫茲高雙折射光纖主要為光子晶體光纖、多孔光纖和聚合物管光纖。傳輸損耗大是目前太赫茲保偏光纖的主要問題之一。在已報道的太赫茲高雙折射光纖中，損耗通常為幾十dB/m。這是因為絕大多數(shù)介質(zhì)材料在太赫茲波段的吸收損耗較高。 干燥空氣對太赫茲波幾乎沒有吸收，因此人們通過各種方法提高太赫茲波在空氣中的傳輸能量比例，從而降低傳輸損耗。然而，不論是光子晶體光纖、多孔光纖還是聚合物管光纖，部分能量還是通過介質(zhì)來傳輸。太赫茲高雙折射光纖的另外一個問題是對波的束縛能力弱， 這不利于波的穩(wěn)定傳輸。為了改善傳輸損耗大和束縛能力弱的問題，我們基于介質(zhì)/金屬空芯光纖結(jié)構(gòu)研究高雙折射太赫茲光纖。介質(zhì)/金屬空芯光纖是通過在基管內(nèi)面鍍金屬膜和介質(zhì)膜得到的。介質(zhì)膜能增加內(nèi)表面反射率，從而有效降低光纖損耗。由于內(nèi)膜在太赫茲波段的高反射率，絕大部分能量(> 99%)被束縛在空氣纖芯中傳輸。這一方面有效降低了傳輸損耗,另一方面使得光纖傳輸特性不易受到環(huán)境干擾。該光纖具有傳輸損耗小、柔韌性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，是一種有發(fā)展前景的太赫茲傳輸光纖?？捎糜趥鬏敼?，以及制作各種光電子器件、 氣體或者液體傳感器等，廣泛應用在醫(yī)療、科研、工業(yè)等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種低損耗、高雙折射的太赫茲保偏光纖優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其制作方法。I、低損耗、高雙折射太赫茲光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
本發(fā)明提出的太赫茲保偏光纖，為介質(zhì)/金屬空芯光纖，通過在基管內(nèi)壁鍍金屬膜和介質(zhì)膜得到。本發(fā)明通過引入橢圓橫截面獲得模式雙折射。其結(jié)構(gòu)如圖I所示。其中a為橢圓截面長軸半徑4為橢圓截面短軸半徑，為介質(zhì)膜厚度，S為金屬膜厚度。優(yōu)化設(shè)計主要從損耗和模式雙折射兩個方面考慮。模式雙折射表示為'B:\neff-Iieffy |，其中neffx、 neffy分別表偏振和偏振的有效折射率。圖2為模式雙折射和橢圓度(a/ΖΟ的關(guān)系曲線，圖3為損耗和橢圓度的關(guān)系曲線。 考慮三種短軸半徑300 μπκ 400 μπι、500 μ m。圖2中三條曲線均在a/6 =3附近得到雙折射最大值。結(jié)合圖3，隨著橢圓度的增加，損耗先是迅速降低，然后平緩下降。在橢圓度大于3的區(qū)域，損耗的變化并不是很明顯。結(jié)合這兩個圖，我們可以得到，對于雙折射和損耗，橢圓度在3左右是比較理想的選擇。在實際操作時，可取較優(yōu)的橢圓度為2 4，更優(yōu)選
2.5 3. 5。
接著分析光纖孔徑和雙折射、損耗的關(guān)系。圖4為雙折射和歸一化孔徑( 的關(guān)系曲線，λ為傳輸波長。計算中取傳輸波長為300 μ m?？梢姡瑲w一化孔徑越
大，雙折射越小。圖中離散的點是計算結(jié)果，實線對應表達式:沒=O. 16 (#/J)_3，點和
實線吻合得很好。我們考慮了不同波長的情況，如圖4中插圖所示，當歸一化孔徑一定，雙折射是恒定值。圖5是損耗和歸一化孔徑的關(guān)系曲線。歸一化孔徑越大，損耗越小。然而當歸一化孔徑一定，雙折射和波長有關(guān)，波長越小，損耗越小。結(jié)合這兩個圖，我們可以得到
兩個結(jié)論①雙折射和損耗都和成正比。從這個角度，在選擇光纖孔徑尺寸的時
候，要權(quán)衡損耗和雙折射這兩個因素在長波長，更容易獲得低損耗、高雙折射光纖。根據(jù)以上分析，在實際制備中，根據(jù)目標雙折射和傳輸損耗選擇長軸和短軸之比為2 4，并根據(jù)雙折射和歸一化孔徑之間的關(guān)系確定孔徑尺寸。理論上，該結(jié)構(gòu)光纖在I THz (300 μ m)處可獲得3X 10_2的模式雙折射和2. 4 dB/m的吸收損耗。2、本發(fā)明的低損耗、高雙折射太赫茲光纖的制作方法，具體步驟如下
(1)確定光纖孔徑參數(shù)根據(jù)目標雙折射和傳輸損耗選擇長軸和短軸之比在2 4之間， 優(yōu)選2. 5 3. 5 ;并根據(jù)雙折射和歸一化孔徑之間的關(guān)系確定孔徑尺寸；
(2)加熱并徑向擠壓圓形樹脂毛細管，獲得橢圓毛細管；
(3)活化處理，使用O.Γ1 %質(zhì)量分數(shù)的SnCl2水溶液處理空芯光纖毛細管內(nèi)壁表面， 時間8 15s，通過這一步驟可以加快銀膜沉積的速度，并減少銀膜表面的粗糙度；
(4)液相鍍銀,使用液相鍍膜法,利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管內(nèi)壁表面鍍一層銀膜(Ag)。渡膜裝置如圖6所示；
(5)液相鍍介質(zhì)膜，利用蠕動泵使樹脂溶液以一定速度流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被干燥后形成光滑的光學薄膜。渡膜裝置如圖7所示。


圖I :光纖截面示意圖。圖2 :模式雙折射和橢圓度的關(guān)系。圖3 :損耗和捕圓度的關(guān)系。圖4 :模式雙折射和歸一化孔徑的關(guān)系。圖5 :損耗和歸一化孔徑的關(guān)系。圖6 :銀鏡反應裝置圖。圖7:液相鍍膜裝置圖。圖中標號I為空芯光纖毛細管(樹脂管)，2為銀氨溶液瓶，3為葡萄糖溶液瓶，4為廢液瓶，5為真空泵，6為樹脂溶液瓶，7為內(nèi)壁表面鍍有銀膜的空芯光纖毛細管，8為蠕動泵；9為基管，10為金屬膜，11為介質(zhì)膜，12為空氣。
具體實施例方式下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。目標波長為300μπι。光纖擬達到的目標參數(shù)為模式雙折射為2Χ10_2，損耗為2-5 dB/m。首先，根據(jù)設(shè)定的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備橢圓基管。然后，使用質(zhì)量濃度為O. 1%的 SnCl2A溶液活化空芯光纖基管管內(nèi)壁表面，通過這一步驟可以加快下一步銀膜沉積的速度，并減少銀膜表面的粗糙度；然后，使用液相鍍膜法，利用銀鏡反應的原理在基管內(nèi)壁鍍一層銀膜；最后，以環(huán)己烷為樹脂顆粒的溶劑，獲得一定濃度的樹脂溶液。利用蠕動泵使樹脂溶液以一定速度流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被干燥后形成光滑的光學薄膜。通過調(diào)節(jié)樹脂溶液濃度、溶液流速，得到不同厚度的介質(zhì)內(nèi)膜。具體的操作步驟及參數(shù)
1、確定光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)目標參數(shù)，選定長軸和短軸之比為3。由目標雙折射2X10_2 以及關(guān)系式?jīng)]=O. 16 ()Λ計算得到a=l mm、b=346 μπι。此時,理論損耗為2.1 dB/m ；
2、加熱并徑向擠壓內(nèi)徑圓形PC基管,獲得內(nèi)半徑為360μ mX I. Imm的橢圓基管；
3、利用附圖6所示裝置，將圖中的AgNO3溶液和葡萄糖溶液用SnCl2溶液(濃度為O.1% 質(zhì)量分數(shù))替代，用真空泵均勻、快速地抽取溶液約10-13S，使其通過空芯光纖毛細管(樹脂管)。通過這一步驟可以加快銀膜沉積的速度，并減少銀膜表面的粗糙度；
4、利用附圖6所示裝置，使用液相鍍膜法，利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管(樹脂管)內(nèi)壁鍍一層銀膜。此步驟屬于本領(lǐng)域的常規(guī)的工藝步驟，在此不贅述；
5、將鍍好銀膜的空芯光纖毛細管用氮氣吹干，利用附圖7所示裝置，用蠕動泵抽取COP 溶液，COP溶液濃度、流速和溫度可以根據(jù)實際實驗條件和目標波長調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲保偏光纖，其特征在于為介質(zhì)/金屬空芯光纖，通過在基管內(nèi)壁鍍金屬膜和介質(zhì)膜得到，其橫截面為橢圓，根據(jù)目標雙折射和傳輸損耗，橢圓的長軸和短軸之比為 2 4，并根據(jù)雙折射和歸一化孔徑之間的關(guān)系確定孔徑尺寸。
2.一種如權(quán)利要求I所述的太赫茲保偏光纖的制作方法，其特征在于具體步驟如下(1)確定光纖孔徑參數(shù)根據(jù)目標雙折射和傳輸損耗，選擇長軸和短軸之比在2 4之間，并根據(jù)雙折射和歸一化孔徑之間的關(guān)系確定孔徑尺寸；(2)加熱并徑向擠壓圓形樹脂毛細管，獲得橢圓毛細管；(3)活化處理，使用O.Γ1 %質(zhì)量分數(shù)的SnCl2水溶液處理空芯光纖毛細管內(nèi)壁表面， 時間8 15s ;(4)液相鍍銀,使用液相鍍膜法,利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管內(nèi)壁表面鍍一層銀膜；(5)液相鍍介質(zhì)膜，利用蠕動泵使樹脂溶液流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被干燥后形成光滑的光學薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉為一種太赫茲保偏光纖及其制作方法。本發(fā)明的太赫茲保偏光纖為介質(zhì)/金屬空芯光纖，通過在基管內(nèi)壁鍍金屬膜和介質(zhì)膜得到，其橫截面為橢圓，根據(jù)目標雙折射和傳輸損耗，橢圓的長軸和短軸之比為2～4，并根據(jù)雙折射和歸一化孔徑之間的關(guān)系確定孔徑尺寸。該結(jié)構(gòu)光纖在1THz(300μm)處可獲得3×10-2的模式雙折射和2.4dB/m的吸收損耗。
文檔編號G02B6/024GK102608695SQ201210098829
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者孫幫山, 湯曉黎, 石藝尉 申請人:復旦大學