高双折射低损耗光子晶体光纤的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高双折射低损耗光子晶体光纤，包括：纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔呈类椭圆状。本发明由于纤芯中引入了非对称的类椭圆的第二空气孔，该结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中第二空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。
【专利说明】
高双折射低损耗光子晶体光纤
技术领域
[0001]本发明涉及太赫兹光纤技术领域，特别涉及一种高双折射低损耗光子晶体光纤。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1?1THz范围内的电磁辐射。近十年来，科技工作者在太赫兹源和探测器等研究领域取得了重要进展，太赫兹技术在传感、医疗诊断，生物成像、大分子检测，国防安全、通信等方面都显示出了广阔的应用前景。由于太赫兹波在绝大多数固体材料中都有严重的吸收损耗，目前的太赫兹系统主要依靠自由空间实现太赫兹波传输。这种结构体积庞大、不易集成、易受到外界的干扰，这些缺点极大地限制了太赫兹系统的小型化、便携化和应用范围。
[0003]近年来，国内外研究人员开展了大量的太赫兹波导研究。光子晶体光纤可以通过空气孔结构的特殊设计提供高双折射，从而实现保偏功能，因此太赫兹光子晶体光纤受到了越来越多的关注。太赫兹光子晶体光纤根据其波导机理可以分为两种:一种是全反射型光子晶体光纤，光纤纤芯为高折射率介质材料，这种结构的光子晶体光纤带宽较宽，但由于太赫兹波主要在介质材料中传输，损耗相对较大;另一种是光子带隙型光纤，这种结构的光纤依靠光子晶体带隙效应传输太赫兹波，太赫兹波主要在空气芯中传输，损耗相对较低，但受到传输带隙窄的限制，且光纤制备工艺要求较高。
[0004]多孔光纤采用亚波长空气孔构成的多孔结构为纤芯，空气作为包层，形成全内反射型光纤，由于太赫兹波有很大部分能量在低损耗的亚波长空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗[文南犬:S.Atakaramians，et al.，“Porous fibers: a novel approach tolowloss THz waveguides，”Opt.Express，2008，16( 12): 8845]。但是，亚波长多孔光纤有相当大部分的能量在空气包层中传播，容易受到外界环境的干扰，应用范围受到限制。因此，在全反射型光子晶体光纤的纤芯中引入亚波长空气孔结构来降低光纤损耗开始受到了人"(门的关注，[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]通过破坏纤芯或包层的空气孔结构的对称性，可以得到高双折射太赫兹多孔光子晶体光纤。最近有文献报道采用矩形空气孔或非对称排列的小空气孔阵列作为纤芯，太赫兹多孔光子晶体光纤双折射数值达10 — 2数量级[文献:(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]。但是这些太赫兹多孔光子晶体光纤的包层空气圆孔与纤芯空气圆孔的直径比值较大，或者引入了复杂结构，在制备过程中难以同时保证包层空气孔结构与纤芯空气孔结构的完整性，制备工艺复杂，难以实现。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高双折射低损耗光子晶体光纤，以解决现有技术中的双折射太赫兹光子晶体光纤结构复杂，难以制备的技术问题。
[0007]本发明提供一种高双折射低损耗光子晶体光纤，所述高双折射低损耗光子晶体光纤包括纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔呈类椭圆状。
[0008]进一步地，所述第二空气孔由两个的圆状空气孔组成，或为单个的椭圆状的第二空气孔。
[0009]进一步地，圆状的所述第一空气孔直径与所述第二空气孔的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。
[0010]进一步地，相邻的圆状的所述第二空气孔的间距为25— 50μπι。
[0011]进一步地，所述第一空气孔为圆形或椭圆形。
[0012]进一步地，椭圆形的所述第一空气孔短轴与长轴的比值为0.5— I。
[0013]进一步地，相邻的所述第一空气孔中心间距为50 — ΙΟΟμπι。
[0014]进一步地，所述第一空气孔中心间距大于所述第一空气孔的直径3 — ΙΟμπι。
[0015]进一步地，所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。
[0016]进一步地，相邻的三个所述第一空气孔呈三角形排布。
[0017]本发明提供的高双折射低损耗光子晶体光纤中所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔呈类椭圆状。本发明由于纤芯中引入了非对称的类椭圆的第二空气孔，该结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯中第二空气孔的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。
【附图说明】
[0018]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0019]图1是根据本发明实施例的高双折射低损耗光子晶体光纤的第二空气孔呈椭圆状的结构示意图；
[0020]图2是根据本发明实施例的高双折射低损耗光子晶体光纤的第二空气孔呈圆状的结构示意图；
[0021 ]图3是图1的纤芯的结构示意图；
[0022]图4是根据本发明实施例的高双折射低损耗光子晶体光纤随频率变化的双折射曲线；
[0023]图5是根据本发明实施例的高双折射低损耗光子晶体光纤限制损耗曲线；
[0024]图6是根据本发明实施例的高双折射低损耗光子晶体光纤有效材料吸收损耗曲线。
[0025]图中:
[0026]I —包层;2—第一空气孔;3 —纤芯；
[0027]4 一第二空气孔。
【具体实施方式】
[0028]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0029]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030]如图1至图3所示，本发明提供的高双折射低损耗光子晶体光纤包括:纤芯3和环绕于纤芯3的包层I，所述包层I中设置有多个第一空气孔2，多个所述第一空气孔2以所述纤芯3为中心从内至外依次环绕纤芯3，所述第一空气孔2的结构相同，所述纤芯3包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔4，所述第二空气孔4呈类椭圆状。类椭圆状即为左右的轴长，上下的轴短的第二空气孔4。
[0031]本发明由于纤芯3中引入了非对称的类椭圆的第二空气孔4，该结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯3中第二空气孔4的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。
[0032]与空气作为包层I的多孔光纤相比，本发明所述光子晶体光纤的多层空气孔层能将太赫兹波限制在纤芯3中传输，避免外界环境的干扰。本发明所设计的光纤中的包层I与纤芯3空气孔直径比值远小于此前所报道的亚波长多孔结构光子晶体光纤，与其有本质的差别。同时本发明所述的纤芯3中引入的圆形的第二空气孔4个数为2个，椭圆形的第二空气孔4数为I个远少于此前所报道的多孔光纤结构。本发明所述的光纤结构为全圆形或全椭圆形的第一空气孔2且排布简单，制备工艺简单，容易实现。
[0033]进一步地，所述第二空气孔4由两个的圆状空气孔组成，两个圆状的便于加工。或为单个的椭圆状的第二空气孔4，单个椭圆状的第二空气孔4可以减少加工数量，节约步骤。
[0034]进一步地，圆状的所述第一空气孔2直径与所述第二空气孔4的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。相邻的圆状的所述第二空气孔4的间距为25 — 50μπι。
[0035]为了使得太赫兹波更容易弥散到包层I区域内，即更容易形成高双折射，进一步地，本实施例中所述第一空气孔2为圆形或椭圆形(椭圆形的未示出)。椭圆形的所述第一空气孔2短轴与长轴的比值为0.5 — I。比值位于O — I之间，比值越小，椭圆的形状就越细长，包层I折射率的各向异性就越大，太赫兹波就更容易弥散到包层I区域内，即更容易形成高双折射，但是同时增大了传输的泄露损耗。比值趋近于I，椭圆即近似圆形，包层I中折射率的各向异性就较小，双折射效应就相对较弱。综合考虑包层I的泄露损耗和双折射效应比值为0.5-1。
[0036]进一步地，相邻的所述第一空气孔2中心间距为50 — ΙΟΟμπι。所述第一空气孔中心间距大于所述第一空气孔的直径3 — ΙΟμπι。
[0037]为了使得双折射程度有所降低，进一步地，本实施例中部分所述第一空气孔2或全部所述第一空气孔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气折射率的材料。所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。只要是折射率大于空气的材料均属于本发明保护范围，也可以采用环烯烃聚合物，其在太赫兹波段的折射率η = 1.5。
[0038]包层I中相邻的三个所述第一空气孔2呈三角形排布。第一空气孔2直径设定为d=71um，相邻第一空气孔2的中心间距Λ =75μπι。纤芯3的直径D = 75um，纤芯3的中心位置水平方向上引入两个直径相同的圆形的第二空气孔4，其直径dc = 33.8um，相邻第二空气孔4间距Λ c = 35.5um。包层I的折射率低于纤芯3的折射率。
[0039]图3是使用全矢量有限元法计算的图1实施例所述光纤的双折射随频率的变化规律，在2 — 4THz范围内，双折射保持在10 — 2量级，且随着频率的增大，双折射不断增大。在频率为3THz时，双折射高达3 X 10 — 2。从光纤在频率为3THz时的X偏振模和Y偏振模的电场场强分布图中可以看出，模场被有效的限制在光纤纤芯3中传输。
[0040]由图6可以看出，实施例所示光纤的限制损耗随着频率的增大而减小。在频率为3THz时，X偏振方向的限制损耗为5.3 X 1 — 2dB/m，Y偏振方向的限制损耗为0.0I dB/m。限制损耗可以通过包层I第一空气孔2排布层数的变化来调节。
[0041 ]在本实施例中，在2 — 4THz范围内，假定环烯烃聚合物的材料吸收损耗为Icm— I，由图6可以看出，实施例所示光纤的有效材料吸收损耗随着频率的增大而增大。在频率为3THz时，X偏振方向的有效材料吸收损耗为0.57cm-1，Y偏振方向的有效材料吸收损耗为
0.45cm—10
[0042]本发明提供的高双折射低损耗光子晶体光纤中所述包层I中设置有多个第一空气孔2，多个所述第一空气孔2以所述纤芯3为中心从内至外依次环绕纤芯3，所述第一空气孔2的结构相同，所述纤芯3包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔4，所述第二空气孔4呈类椭圆状。本发明由于纤芯3中引入了非对称的类椭圆的第二空气孔4，该结构不具备旋转对称性，不存在简并的正交偏振模，从而表现出很高的双折射。同时由于纤芯3中第二空气孔4的引入，太赫兹波有很大部分能量在低损耗空气孔中传输，大大降低了光纤的损耗，具有结构简单和容易实现等优点。
[0043]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，包括纤芯和环绕于纤芯的包层，所述包层中设置有多个第一空气孔，多个所述第一空气孔以所述纤芯为中心从内至外依次环绕纤芯，所述第一空气孔的结构相同，所述纤芯包括基底材料和设置于基底材料内的第二空气孔，所述第二空气孔呈类椭圆状。2.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，所述第二空气孔由两个的圆状空气孔组成，或为单个的椭圆状的第二空气孔。3.根据权利要求2所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，圆状的所述第一空气孔直径与所述第二空气孔的直径比值大于或等于1.5，小于或等于3.5。4.根据权利要求2所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，相邻的圆状的所述第二空气孔的间距为25 — 50μπι。5.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，所述第一空气孔为圆形或椭圆形。6.根据权利要求5所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，椭圆形的所述第一空气孔短轴与长轴的比值为0.5 — I。7.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，相邻的所述第一空气孔中心间距为50 — ΙΟΟμπι。8.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，所述第一空气孔中心间距大于所述第一空气孔的直径3 — ΙΟμπι。9.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，所述基底材料的材质为环烯烃聚合物、聚四氟乙烯、聚乙烯或聚碳酸酯。10.根据权利要求1所述的高双折射低损耗光子晶体光纤，其特征在于，相邻的三个所述第一空气孔呈三角形排布。
【文档编号】G02B6/02GK106054312SQ201610668852
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月15日 公开号201610668852.7, CN 106054312 A, CN 106054312A, CN 201610668852, CN-A-106054312, CN106054312 A, CN106054312A, CN201610668852, CN201610668852.7
【发明人】吴之清, 吴卫东, 周晓燕, 石兆华, 夏汉定, 黄进, 蒋晓东
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心