專利名稱：太赫茲光子晶體光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高雙折射的太赫茲光子晶體光纖。
背景技術(shù)：
太赫茲波在電磁波譜中處于微波與紅外輻射波之間，其頻率范圍為O. I ΙΟΤΗζ。近年來，隨著太赫茲輻射源和探測技術(shù)的進(jìn)步，太赫茲波越來越受到人們的關(guān)注，但是由于太赫茲波在自由空間中傳輸衰減極大，而太赫茲波導(dǎo)能夠有效解決傳輸衰減大的問題，所以，研制太赫茲波導(dǎo)具有重要的實(shí)際意義。 在普通單模光纖中，如果光纖受到垂直于軸向隨機(jī)的壓力作用，在光纖端面將會由完美的圓形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為一定程度上的橢圓結(jié)構(gòu)，兩個正交偏振方向上的偏振模式不再簡并，它的模式常數(shù)β略有不同，并在傳播過程中相互耦合，這種模態(tài)雙折射效應(yīng)會使入射的線偏振態(tài)傳輸一段距離后轉(zhuǎn)變?yōu)槿我鈶B(tài)，即入射的光信號發(fā)生隨機(jī)雙折射。為了維持模式的偏振特性，可以人為地引入高雙折射，雙折射的強(qiáng)弱可以用模式拍長Lb和兩個正交方向上的折射率差B= |nx-ny|表示。所以，在太赫茲波導(dǎo)設(shè)計(jì)中同樣需要考慮雙折射的問題。光子晶體光纖又稱為多孔光纖或微結(jié)構(gòu)光纖，是當(dāng)前國際研究的熱點(diǎn)之一。該光纖的橫截面可分為纖芯和包層。纖芯為折射率高于包層有效折射率的實(shí)心背景材料，或者為空氣孔，或者插入折射率低于背景材料的其它導(dǎo)光的纖芯。包層環(huán)繞纖芯，包層的折射率低于纖芯，其上有規(guī)則排列的空氣孔沿軸向延伸。此類光子晶體光纖通過全內(nèi)反射原理進(jìn)行導(dǎo)光。通過調(diào)整光子晶體光纖端面空氣孔大小、形狀及孔間距等參數(shù)，使得光纖端面兩個正交方向存在較大的折射率差，從而能夠獲得高雙折射特性。光子晶體光纖技術(shù)為太赫茲波導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了一個良好的平臺。高雙折射太赫茲光子晶體光纖，在太赫茲傳感和通信方面得到廣泛地應(yīng)用。目前對高雙折射太赫茲光子晶體光纖的研究較多的分別是空芯結(jié)構(gòu)的光子禁帶型光子晶體光纖、利用空氣作為包層結(jié)構(gòu)的折射率導(dǎo)模型光子晶體光纖以及在纖芯引入小孔的折射率導(dǎo)模型光子晶體光纖。利用空氣包層容易受到外界環(huán)境因素干擾，而在纖芯引入小孔或者空芯結(jié)構(gòu)，將會增加制作上的技術(shù)難度。需要在較寬太赫茲波段內(nèi)具有高雙折射特性的太赫茲光子晶體光纖，且該結(jié)構(gòu)要易于制作實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲光子晶體光纖，其包層的空氣孔為均勻分布在背景材料中的菱形空氣單元，每個菱形空氣單元由4個空氣孔組成。能夠在太赫茲波段范圍內(nèi)具有高雙折射率。本發(fā)明設(shè)計(jì)的太赫茲光子晶體光纖，該光纖的橫截面分為纖芯和包層。纖芯為實(shí)心的背景材料，包層環(huán)繞纖芯，其上有規(guī)則排列的空氣孔沿軸向延伸，故包層的折射率低于纖芯的折射率；所述光纖橫截面上包層的空氣孔結(jié)構(gòu)相同，且每4個空氣孔組成一個結(jié)構(gòu)相同的菱形空氣單元，包層上的多個菱形空氣單元在背景材料中呈周期性排列。所述空氣孔為橢圓空氣孔，長軸和短軸分別為b和a，且橢圓空氣孔的長軸與菱形空氣單元的 長對角線平行。a/b= η O理論上n的取值范圍為0〈 η彡1，η值越小，橢圓的形狀就越細(xì)長，包層折射率的各向異性就越大，太赫茲波就更容易彌散到包層區(qū)域內(nèi)，即更容易形成高雙折射，但是同時增大了傳輸?shù)男孤稉p耗，也加大了橢圓孔的制作難度。而Π趨近于1，橢圓即近似圓形，包層中折射率的各向異性就較小，雙折射效應(yīng)就相對較弱。綜合考慮包層的泄露損耗和雙折射效應(yīng)，較佳方案為O. 5 < η < I。所述各菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€Aa均相等，縱向?qū)蔷€Ab&相等，0〈Aa/Ab彡I。較佳方案為O. 4彡Aa/Ab彡I。所述實(shí)心的背景材料的纖芯所占區(qū)域?yàn)橐粋€菱形空氣單元所占區(qū)域。且纖芯所占區(qū)域與其它菱形空氣單元按相同周期排列。所述包層內(nèi)的菱形空氣單元呈周期性排列，以某個菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€和縱向?qū)蔷€的交點(diǎn)為該菱形空氣單元的中心，同一排的菱形空氣單元的中心處于同一直線，且同一排中相鄰的菱形空氣單元中心的橫向間距人!￡均相等。相鄰的兩排的菱形空氣單元錯開，每間隔一排縱向的菱形空氣單元成一列，同列的菱形空氣單元的中心處于同一直線，且同一列中相鄰的菱形空氣單元中心的縱向間距Ay均相等，各列菱形空氣單元的中心所處的直線相互間距相等。較佳方案為0.25 < Ax/Ay^0.5o所述包層中的還可有部分空氣孔或者全部空氣孔填充有折射率低于光纖背景材料折射率、高于空氣折射率的材料。所述材料可以為水、或乙醇、或二氧化碳?xì)怏w、或聚四氟乙烯、或聚乙烯等。所述光纖的背景材料為聚四氟乙烯，或聚乙烯，或聚碳酸酯等聚合物材料。本發(fā)明所述的太赫茲光子晶體光纖具有以下優(yōu)點(diǎn)1、與利用空氣作為包層的太赫茲光子晶體光纖相比，本發(fā)明的太赫茲光子晶體光纖，不易受外界環(huán)境因素干擾，能夠更好地適用于復(fù)雜的傳輸環(huán)境；2、與空芯光子禁帶型太赫茲光子晶體光纖相比，大大降低了制作難度；3、在較寬的太赫茲波段內(nèi)具有高雙折射特性，在160 μ m 400 μ m波段內(nèi)的雙折射值均大于I. 8X10_3，且隨波長增加，雙折射值還可不斷增加，適合應(yīng)用于寬帶太赫茲系統(tǒng)，
4、調(diào)整橢圓的長短軸、菱形空氣單元的橫向縱向?qū)蔷€以及菱形空氣單元的間距，即可獲得某一雙折射值的光纖；5、用現(xiàn)有光子晶體光纖的制作工藝和設(shè)備即可制作本發(fā)明光纖，且其制作相對其它太赫茲光子晶體光纖簡單。


圖I為本太赫茲光子晶體光纖實(shí)施例橫截面不意圖。圖中a、b分別為橢圓空氣孔的短軸和長軸，K、Ab分別為菱形空氣單元內(nèi)橫向?qū)蔷€和縱向?qū)蔷€，Ax為同一排相鄰的菱形空氣單元中心的橫向間距，Ay為同列相鄰菱形空氣單元中心的縱向間距。圖2為本太赫茲光子晶體光纖實(shí)施例在100μπΓ400μπι波段內(nèi)的雙折射特性曲線。圖3為本太赫茲光子晶體光纖實(shí)施例在包層中靠近纖芯的6個空氣孔填充聚四氟乙烯材料后在100 μ π! 400 μ m波段內(nèi)的雙折射特性曲線。
具體實(shí)施例方式本太赫茲光子晶體光纖實(shí)施例如圖I所不，該光纖的橫截面分為纖芯和包層。纖芯為實(shí)心的背景材料，本例背景材料為高密度聚乙烯。包層環(huán)·繞纖芯，其上有規(guī)則排列的空氣孔沿軸向延伸；所述光纖橫截面上包層的空氣孔結(jié)構(gòu)相同，為橢圓空氣孔，長軸和短軸分別為b和a,本例a=56 μ m、b=80 μ m, a/b= η =0.7。且每4個空氣孔組成一個結(jié)構(gòu)相同的菱形空氣單元，包層上的多個菱形空氣單元在背景材料中呈周期性排列。圖I中上方4個虛線的空氣孔表示一個菱形空氣單元。橢圓空氣孔的長軸與菱形空氣單元的長對角線平行。本例各菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€Aa=120ym均相等，縱向?qū)蔷€Ab=240ym，Λ a/ Ab=l/2。所述實(shí)心的背景材料的纖芯所占區(qū)域?yàn)橐粋€菱形空氣單元所占區(qū)域。且纖芯所占區(qū)域與其它菱形空氣單元按相同周期排列。以某個菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€和縱向?qū)蔷€的交點(diǎn)為該菱形空氣單元的中心，同一排的菱形空氣單元的中心處于同一直線，且同一排的相鄰的菱形空氣單元中心的橫向間距Λχ=240μπι。相鄰的兩排的菱形空氣單元錯開，每間隔一排的各菱形空氣單元成一列，同列的菱形空氣單兀的中心處于同一直線，且各列中相鄰的菱形空氣單兀中心的縱向間距Ay=640ym，Ax/Ay=O. 375，各列菱形空氣單元的中心所處的直線相互間距相等，本例為120 μ m。圖2所示為本太赫茲光子晶體光纖實(shí)施例在100 μ m 400 μ m波段內(nèi)的雙折射特性曲線。其縱坐標(biāo)為雙折射值，橫坐標(biāo)為波長。由圖2可以看出，本實(shí)施例的太赫茲光子晶體光纖在160μπι 400μπι波段內(nèi)的雙折射值都大于I. OX 10_3，而且隨著波長的增加，雙折射值不斷增加，在400 μ m處雙折射特性可達(dá)7. 168X 10_3。本例包層中可在環(huán)繞靠近纖芯的6個空氣孔填充在太赫茲波段折射率n=l. 37的聚四氟乙烯材料，其折射率高于空氣的折射率，低于背景材料高密度聚乙烯的折射率。本例包層中靠近纖芯的6個空氣孔填充聚四氟乙烯后其在100 μ m 400 μ m波段內(nèi)的雙折射特性曲線如圖3所示，與未填充時相比，橫縱軸上的有效折射率差減少，即雙折射程度有所降低。在240 μ m處雙折射值為I. 144X10—3，在400μπι時的雙折射值為3. 493Χ10—3。通過調(diào)整本例光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)a、b、Λ a、Ab、Λ x、Λ y，可得到不同的雙折射特性曲線圖，即可得到在一定波段上的具有某個雙折射值太赫茲光子晶體光纖。上述實(shí)施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.太赫茲光子晶體光纖，該光纖的橫截面分為纖芯和包層，其特征在于 所述纖芯為實(shí)心的背景材料，包層環(huán)繞纖芯，其上有規(guī)則排列的空氣孔沿軸向延伸；所述光纖橫截面上包層的空氣孔結(jié)構(gòu)相同，且每4個空氣孔組成一個結(jié)構(gòu)相同的菱形空氣單元，包層上的多個菱形空氣單元在背景材料中呈周期性排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述空氣孔為橢圓空氣孔，橢圓空氣孔的長軸與菱形空氣單元的長對角線平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述橢圓空氣孔短軸a和長軸b的比a/b= n，n的取值為0. 5彡n彡I。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述各菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€Aa均相等，縱向?qū)蔷€Ab也相等，0〈Aa/Ab< I。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述各菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€Aa和縱向?qū)蔷€Ab之比滿足下式0.4 < Aa/Ab 彡 I。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述實(shí)心背景材料的纖芯所占區(qū)域?yàn)橐粋€菱形空氣單元所占區(qū)域，且纖芯所占區(qū)域與其它菱形空氣單元按相同周期性排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述包層內(nèi)某個菱形空氣單元的橫向?qū)蔷€和縱向?qū)蔷€的交點(diǎn)為該菱形空氣單元的中心，同一排的菱形空氣單元的中心處于同一直線，且同一排中相鄰的菱形空氣單元中心的橫向間距人!￡均相等。相鄰的兩排的菱形空氣單元錯開，每間隔一排縱向的菱形空氣單元成一列，同列的菱形空氣單元的中心處于同一直線，且同一列中相鄰的菱形空氣單元中心的縱向間距Ay均相等，各列菱形空氣單元的中心所處的直線相互間距相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述同一排中相鄰的菱形空氣單元中心的橫向間距Aj^P同一列中相鄰的菱形空氣單元中心的縱向間距Ay的比滿足下式0.25 彡 Ax/Ay 彡 0. 5。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述包層中的有部分空氣孔或者全部空氣孔填充有折射率低于光纖背景材料折射率、高于空氣折射率的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的太赫茲光子晶體光纖，其特征在于 所述光纖的背景材料為聚四氟乙烯，或聚乙烯，或聚碳酸酯的聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明為太赫茲光子晶體光纖，纖芯為實(shí)心背景材料，包層的空氣孔結(jié)構(gòu)相同，每4個空氣孔組成一個結(jié)構(gòu)相同的菱形空氣單元，各菱形單元在背景材料中呈周期性排列?？諝饪诪闄E圓孔,長軸與菱形單元的長對角線平行。各菱形單元的橫向、縱向?qū)蔷€相等。纖芯所占區(qū)域?yàn)橐粋€菱形單元所占區(qū)域，按相同周期排列。多個菱形單元的中心橫成排，橫間距相等；間隔一排的縱成列，且縱間距相等?？諝饪卓捎胁糠只蛉刻畛湔凵渎实陀诠饫w背景材料、高于空氣的材料。背景材料為聚四氟乙烯，聚乙烯，聚碳酸酯等聚合物材料。本光子晶體光纖不易受外界環(huán)境干擾，降低了制作難度；在較寬的太赫茲波段內(nèi)具有高雙折射，調(diào)整橢圓的長短軸等結(jié)構(gòu)參數(shù)即可調(diào)節(jié)雙折射值。
文檔編號G02B6/02GK102707374SQ201210202739
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者唐劍, 徐文波, 陳明, 陳輝 申請人:桂林電子科技大學(xué)