高雙折射低損耗光子晶體光纖的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高雙折射低損耗光子晶體光纖，包括：纖芯和環(huán)繞于纖芯的包層，所述包層中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔，多個(gè)所述第一空氣孔以所述纖芯為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯，所述第一空氣孔的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔，所述第二空氣孔呈類(lèi)橢圓狀。本發(fā)明由于纖芯中引入了非對(duì)稱(chēng)的類(lèi)橢圓的第二空氣孔，該結(jié)構(gòu)不具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，不存在簡(jiǎn)并的正交偏振模，從而表現(xiàn)出很高的雙折射。同時(shí)由于纖芯中第二空氣孔的引入，太赫茲波有很大部分能量在低損耗空氣孔中傳輸，大大降低了光纖的損耗，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
高雙折射低損耗光子晶體光纖
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高雙折射低損耗光子晶體光纖。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波通常是指頻率在0.1?1THz范圍內(nèi)的電磁輻射。近十年來(lái)，科技工作者在太赫茲源和探測(cè)器等研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，太赫茲技術(shù)在傳感、醫(yī)療診斷，生物成像、大分子檢測(cè)，國(guó)防安全、通信等方面都顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。由于太赫茲波在絕大多數(shù)固體材料中都有嚴(yán)重的吸收損耗，目前的太赫茲系統(tǒng)主要依靠自由空間實(shí)現(xiàn)太赫茲波傳輸。這種結(jié)構(gòu)體積龐大、不易集成、易受到外界的干擾，這些缺點(diǎn)極大地限制了太赫茲系統(tǒng)的小型化、便攜化和應(yīng)用范圍。
[0003]近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量的太赫茲波導(dǎo)研究。光子晶體光纖可以通過(guò)空氣孔結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)提供高雙折射，從而實(shí)現(xiàn)保偏功能，因此太赫茲光子晶體光纖受到了越來(lái)越多的關(guān)注。太赫茲光子晶體光纖根據(jù)其波導(dǎo)機(jī)理可以分為兩種:一種是全反射型光子晶體光纖，光纖纖芯為高折射率介質(zhì)材料，這種結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖帶寬較寬，但由于太赫茲波主要在介質(zhì)材料中傳輸，損耗相對(duì)較大;另一種是光子帶隙型光纖，這種結(jié)構(gòu)的光纖依靠光子晶體帶隙效應(yīng)傳輸太赫茲波，太赫茲波主要在空氣芯中傳輸，損耗相對(duì)較低，但受到傳輸帶隙窄的限制，且光纖制備工藝要求較高。
[0004]多孔光纖采用亞波長(zhǎng)空氣孔構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)為纖芯，空氣作為包層，形成全內(nèi)反射型光纖，由于太赫茲波有很大部分能量在低損耗的亞波長(zhǎng)空氣孔中傳輸，大大降低了光纖的損耗[文南犬:S.Atakaramians，et al.，“Porous fibers: a novel approach tolowloss THz waveguides，”O(jiān)pt.Express，2008，16( 12): 8845]。但是，亞波長(zhǎng)多孔光纖有相當(dāng)大部分的能量在空氣包層中傳播，容易受到外界環(huán)境的干擾，應(yīng)用范圍受到限制。因此，在全反射型光子晶體光纖的纖芯中引入亞波長(zhǎng)空氣孔結(jié)構(gòu)來(lái)降低光纖損耗開(kāi)始受到了人"(門(mén)的關(guān)注，[文南犬:M.Uthman，et al.，“Design and Character i zat 1n of Low —LossPorous-Core Photonic Crystal Fiber，，，IEEE Photon.J.，2012，4(6)，2315] 0
[0005]通過(guò)破壞纖芯或包層的空氣孔結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，可以得到高雙折射太赫茲多孔光子晶體光纖。最近有文獻(xiàn)報(bào)道采用矩形空氣孔或非對(duì)稱(chēng)排列的小空氣孔陣列作為纖芯，太赫茲多孔光子晶體光纖雙折射數(shù)值達(dá)10 — 2數(shù)量級(jí)[文獻(xiàn):(I)R.1slam，et al.，“ExtremelyHigh—Birefringent AsymmetrieSlotted—Core Photonic Crystal Fiber in THzRegime，”IEEE Photon.Technol.Lett.，2015，27(21)，2222;(2)R.1slam，et al.，“Novelporous fiber based on dual—asymmetry forlow—loss polarizat1n maintainingTHz waveguidance/’Optics Letters，2016，41 (3)，440]。但是這些太赫茲多孔光子晶體光纖的包層空氣圓孔與纖芯空氣圓孔的直徑比值較大，或者引入了復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在制備過(guò)程中難以同時(shí)保證包層空氣孔結(jié)構(gòu)與纖芯空氣孔結(jié)構(gòu)的完整性，制備工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高雙折射低損耗光子晶體光纖，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的雙折射太赫茲光子晶體光纖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制備的技術(shù)問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明提供一種高雙折射低損耗光子晶體光纖，所述高雙折射低損耗光子晶體光纖包括纖芯和環(huán)繞于纖芯的包層，所述包層中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔，多個(gè)所述第一空氣孔以所述纖芯為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯，所述第一空氣孔的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔，所述第二空氣孔呈類(lèi)橢圓狀。
[0008]進(jìn)一步地，所述第二空氣孔由兩個(gè)的圓狀空氣孔組成，或?yàn)閱蝹€(gè)的橢圓狀的第二空氣孔。
[0009]進(jìn)一步地，圓狀的所述第一空氣孔直徑與所述第二空氣孔的直徑比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。
[0010]進(jìn)一步地，相鄰的圓狀的所述第二空氣孔的間距為25— 50μπι。
[0011]進(jìn)一步地，所述第一空氣孔為圓形或橢圓形。
[0012]進(jìn)一步地，橢圓形的所述第一空氣孔短軸與長(zhǎng)軸的比值為0.5— I。
[0013]進(jìn)一步地，相鄰的所述第一空氣孔中心間距為50 — ΙΟΟμπι。
[0014]進(jìn)一步地，所述第一空氣孔中心間距大于所述第一空氣孔的直徑3 — ΙΟμπι。
[0015]進(jìn)一步地，所述基底材料的材質(zhì)為環(huán)烯烴聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。
[0016]進(jìn)一步地，相鄰的三個(gè)所述第一空氣孔呈三角形排布。
[0017]本發(fā)明提供的高雙折射低損耗光子晶體光纖中所述包層中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔，多個(gè)所述第一空氣孔以所述纖芯為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯，所述第一空氣孔的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔，所述第二空氣孔呈類(lèi)橢圓狀。本發(fā)明由于纖芯中引入了非對(duì)稱(chēng)的類(lèi)橢圓的第二空氣孔，該結(jié)構(gòu)不具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，不存在簡(jiǎn)并的正交偏振模，從而表現(xiàn)出很高的雙折射。同時(shí)由于纖芯中第二空氣孔的引入，太赫茲波有很大部分能量在低損耗空氣孔中傳輸，大大降低了光纖的損耗，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0018]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射低損耗光子晶體光纖的第二空氣孔呈橢圓狀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射低損耗光子晶體光纖的第二空氣孔呈圓狀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3是圖1的纖芯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射低損耗光子晶體光纖隨頻率變化的雙折射曲線(xiàn)；
[0023]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射低損耗光子晶體光纖限制損耗曲線(xiàn)；
[0024]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高雙折射低損耗光子晶體光纖有效材料吸收損耗曲線(xiàn)。
[0025]圖中:
[0026]I —包層;2—第一空氣孔;3 —纖芯；
[0027]4 一第二空氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0028]需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0029]在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。
[0030]如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供的高雙折射低損耗光子晶體光纖包括:纖芯3和環(huán)繞于纖芯3的包層I，所述包層I中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔2，多個(gè)所述第一空氣孔2以所述纖芯3為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯3，所述第一空氣孔2的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯3包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔4，所述第二空氣孔4呈類(lèi)橢圓狀。類(lèi)橢圓狀即為左右的軸長(zhǎng)，上下的軸短的第二空氣孔4。
[0031]本發(fā)明由于纖芯3中引入了非對(duì)稱(chēng)的類(lèi)橢圓的第二空氣孔4，該結(jié)構(gòu)不具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，不存在簡(jiǎn)并的正交偏振模，從而表現(xiàn)出很高的雙折射。同時(shí)由于纖芯3中第二空氣孔4的引入，太赫茲波有很大部分能量在低損耗空氣孔中傳輸，大大降低了光纖的損耗，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0032]與空氣作為包層I的多孔光纖相比，本發(fā)明所述光子晶體光纖的多層空氣孔層能將太赫茲波限制在纖芯3中傳輸，避免外界環(huán)境的干擾。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光纖中的包層I與纖芯3空氣孔直徑比值遠(yuǎn)小于此前所報(bào)道的亞波長(zhǎng)多孔結(jié)構(gòu)光子晶體光纖，與其有本質(zhì)的差別。同時(shí)本發(fā)明所述的纖芯3中引入的圓形的第二空氣孔4個(gè)數(shù)為2個(gè)，橢圓形的第二空氣孔4數(shù)為I個(gè)遠(yuǎn)少于此前所報(bào)道的多孔光纖結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的光纖結(jié)構(gòu)為全圓形或全橢圓形的第一空氣孔2且排布簡(jiǎn)單，制備工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。
[0033]進(jìn)一步地，所述第二空氣孔4由兩個(gè)的圓狀空氣孔組成，兩個(gè)圓狀的便于加工。或?yàn)閱蝹€(gè)的橢圓狀的第二空氣孔4，單個(gè)橢圓狀的第二空氣孔4可以減少加工數(shù)量，節(jié)約步驟。
[0034]進(jìn)一步地，圓狀的所述第一空氣孔2直徑與所述第二空氣孔4的直徑比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。相鄰的圓狀的所述第二空氣孔4的間距為25 — 50μπι。
[0035]為了使得太赫茲波更容易彌散到包層I區(qū)域內(nèi)，即更容易形成高雙折射，進(jìn)一步地，本實(shí)施例中所述第一空氣孔2為圓形或橢圓形(橢圓形的未示出)。橢圓形的所述第一空氣孔2短軸與長(zhǎng)軸的比值為0.5 — I。比值位于O — I之間，比值越小，橢圓的形狀就越細(xì)長(zhǎng)，包層I折射率的各向異性就越大，太赫茲波就更容易彌散到包層I區(qū)域內(nèi)，即更容易形成高雙折射，但是同時(shí)增大了傳輸?shù)男孤稉p耗。比值趨近于I，橢圓即近似圓形，包層I中折射率的各向異性就較小，雙折射效應(yīng)就相對(duì)較弱。綜合考慮包層I的泄露損耗和雙折射效應(yīng)比值為0.5-1。
[0036]進(jìn)一步地，相鄰的所述第一空氣孔2中心間距為50 — ΙΟΟμπι。所述第一空氣孔中心間距大于所述第一空氣孔的直徑3 — ΙΟμπι。
[0037]為了使得雙折射程度有所降低，進(jìn)一步地，本實(shí)施例中部分所述第一空氣孔2或全部所述第一空氣孔2中填充有水、乙醇或二氧化碳等折射率低于基底材料折射率高于空氣折射率的材料。所述基底材料的材質(zhì)為環(huán)烯烴聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。只要是折射率大于空氣的材料均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍，也可以采用環(huán)烯烴聚合物，其在太赫茲波段的折射率η = 1.5。
[0038]包層I中相鄰的三個(gè)所述第一空氣孔2呈三角形排布。第一空氣孔2直徑設(shè)定為d=71um，相鄰第一空氣孔2的中心間距Λ =75μπι。纖芯3的直徑D = 75um，纖芯3的中心位置水平方向上引入兩個(gè)直徑相同的圓形的第二空氣孔4，其直徑dc = 33.8um，相鄰第二空氣孔4間距Λ c = 35.5um。包層I的折射率低于纖芯3的折射率。
[0039]圖3是使用全矢量有限元法計(jì)算的圖1實(shí)施例所述光纖的雙折射隨頻率的變化規(guī)律，在2 — 4THz范圍內(nèi)，雙折射保持在10 — 2量級(jí)，且隨著頻率的增大，雙折射不斷增大。在頻率為3THz時(shí)，雙折射高達(dá)3 X 10 — 2。從光纖在頻率為3THz時(shí)的X偏振模和Y偏振模的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布圖中可以看出，模場(chǎng)被有效的限制在光纖纖芯3中傳輸。
[0040]由圖6可以看出，實(shí)施例所示光纖的限制損耗隨著頻率的增大而減小。在頻率為3THz時(shí)，X偏振方向的限制損耗為5.3 X 1 — 2dB/m，Y偏振方向的限制損耗為0.0I dB/m。限制損耗可以通過(guò)包層I第一空氣孔2排布層數(shù)的變化來(lái)調(diào)節(jié)。
[0041 ]在本實(shí)施例中，在2 — 4THz范圍內(nèi)，假定環(huán)烯烴聚合物的材料吸收損耗為Icm— I，由圖6可以看出，實(shí)施例所示光纖的有效材料吸收損耗隨著頻率的增大而增大。在頻率為3THz時(shí)，X偏振方向的有效材料吸收損耗為0.57cm-1，Y偏振方向的有效材料吸收損耗為
0.45cm—10
[0042]本發(fā)明提供的高雙折射低損耗光子晶體光纖中所述包層I中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔2，多個(gè)所述第一空氣孔2以所述纖芯3為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯3，所述第一空氣孔2的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯3包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔4，所述第二空氣孔4呈類(lèi)橢圓狀。本發(fā)明由于纖芯3中引入了非對(duì)稱(chēng)的類(lèi)橢圓的第二空氣孔4，該結(jié)構(gòu)不具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，不存在簡(jiǎn)并的正交偏振模，從而表現(xiàn)出很高的雙折射。同時(shí)由于纖芯3中第二空氣孔4的引入，太赫茲波有很大部分能量在低損耗空氣孔中傳輸，大大降低了光纖的損耗，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，包括纖芯和環(huán)繞于纖芯的包層，所述包層中設(shè)置有多個(gè)第一空氣孔，多個(gè)所述第一空氣孔以所述纖芯為中心從內(nèi)至外依次環(huán)繞纖芯，所述第一空氣孔的結(jié)構(gòu)相同，所述纖芯包括基底材料和設(shè)置于基底材料內(nèi)的第二空氣孔，所述第二空氣孔呈類(lèi)橢圓狀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，所述第二空氣孔由兩個(gè)的圓狀空氣孔組成，或?yàn)閱蝹€(gè)的橢圓狀的第二空氣孔。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，圓狀的所述第一空氣孔直徑與所述第二空氣孔的直徑比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，相鄰的圓狀的所述第二空氣孔的間距為25 — 50μπι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，所述第一空氣孔為圓形或橢圓形。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，橢圓形的所述第一空氣孔短軸與長(zhǎng)軸的比值為0.5 — I。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，相鄰的所述第一空氣孔中心間距為50 — ΙΟΟμπι。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，所述第一空氣孔中心間距大于所述第一空氣孔的直徑3 — ΙΟμπι。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，所述基底材料的材質(zhì)為環(huán)烯烴聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高雙折射低損耗光子晶體光纖，其特征在于，相鄰的三個(gè)所述第一空氣孔呈三角形排布。
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK106054312SQ201610668852
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月15日 公開(kāi)號(hào)201610668852.7, CN 106054312 A, CN 106054312A, CN 201610668852, CN-A-106054312, CN106054312 A, CN106054312A, CN201610668852, CN201610668852.7
【發(fā)明人】吳之清, 吳衛(wèi)東, 周曉燕, 石兆華, 夏漢定, 黃進(jìn), 蔣曉東
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心