专利名称：太赫兹光子晶体光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹波导技术领域，具体涉及一种具有高双折射的太赫兹光子晶体光纤。
背景技术：
太赫兹波在电磁波谱中处于微波与红外辐射波之间，其频率范围为O. I ΙΟΤΗζ。近年来，随着太赫兹辐射源和探测技术的进步，太赫兹波越来越受到人们的关注，但是由于太赫兹波在自由空间中传输衰减极大，而太赫兹波导能够有效解决传输衰减大的问题，所以，研制太赫兹波导具有重要的实际意义。 在普通单模光纤中，如果光纤受到垂直于轴向随机的压力作用，在光纤端面将会由完美的圆形结构转变成为一定程度上的椭圆结构，两个正交偏振方向上的偏振模式不再简并，它的模式常数β略有不同，并在传播过程中相互耦合，这种模态双折射效应会使入射的线偏振态传输一段距离后转变为任意态，即入射的光信号发生随机双折射。为了维持模式的偏振特性，可以人为地引入高双折射，双折射的强弱可以用模式拍长Lb和两个正交方向上的折射率差B= |nx-ny|表示。所以，在太赫兹波导设计中同样需要考虑双折射的问题。光子晶体光纤又称为多孔光纤或微结构光纤，是当前国际研究的热点之一。该光纤的横截面可分为纤芯和包层。纤芯为折射率高于包层有效折射率的实心背景材料，或者为空气孔，或者插入折射率低于背景材料的其它导光的纤芯。包层环绕纤芯，包层的折射率低于纤芯，其上有规则排列的空气孔沿轴向延伸。此类光子晶体光纤通过全内反射原理进行导光。通过调整光子晶体光纤端面空气孔大小、形状及孔间距等参数，使得光纤端面两个正交方向存在较大的折射率差，从而能够获得高双折射特性。光子晶体光纤技术为太赫兹波导技术的实际应用提供了一个良好的平台。高双折射太赫兹光子晶体光纤，在太赫兹传感和通信方面得到广泛地应用。目前对高双折射太赫兹光子晶体光纤的研究较多的分别是空芯结构的光子禁带型光子晶体光纤、利用空气作为包层结构的折射率导模型光子晶体光纤以及在纤芯引入小孔的折射率导模型光子晶体光纤。利用空气包层容易受到外界环境因素干扰，而在纤芯引入小孔或者空芯结构，将会增加制作上的技术难度。需要在较宽太赫兹波段内具有高双折射特性的太赫兹光子晶体光纤，且该结构要易于制作实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹光子晶体光纤，其包层的空气孔为均匀分布在背景材料中的菱形空气单元，每个菱形空气单元由4个空气孔组成。能够在太赫兹波段范围内具有高双折射率。本发明设计的太赫兹光子晶体光纤，该光纤的横截面分为纤芯和包层。纤芯为实心的背景材料，包层环绕纤芯，其上有规则排列的空气孔沿轴向延伸，故包层的折射率低于纤芯的折射率；所述光纤横截面上包层的空气孔结构相同，且每4个空气孔组成一个结构相同的菱形空气单元，包层上的多个菱形空气单元在背景材料中呈周期性排列。所述空气孔为椭圆空气孔，长轴和短轴分别为b和a，且椭圆空气孔的长轴与菱形空气单元的 长对角线平行。a/b= η O理论上n的取值范围为0〈 η彡1，η值越小，椭圆的形状就越细长，包层折射率的各向异性就越大，太赫兹波就更容易弥散到包层区域内，即更容易形成高双折射，但是同时增大了传输的泄露损耗，也加大了椭圆孔的制作难度。而Π趋近于1，椭圆即近似圆形，包层中折射率的各向异性就较小，双折射效应就相对较弱。综合考虑包层的泄露损耗和双折射效应，较佳方案为O. 5 < η < I。所述各菱形空气单元的横向对角线Aa均相等，纵向对角线Ab&相等，0〈Aa/Ab彡I。较佳方案为O. 4彡Aa/Ab彡I。所述实心的背景材料的纤芯所占区域为一个菱形空气单元所占区域。且纤芯所占区域与其它菱形空气单元按相同周期排列。所述包层内的菱形空气单元呈周期性排列，以某个菱形空气单元的横向对角线和纵向对角线的交点为该菱形空气单元的中心，同一排的菱形空气单元的中心处于同一直线，且同一排中相邻的菱形空气单元中心的横向间距人!￡均相等。相邻的两排的菱形空气单元错开，每间隔一排纵向的菱形空气单元成一列，同列的菱形空气单元的中心处于同一直线，且同一列中相邻的菱形空气单元中心的纵向间距Ay均相等，各列菱形空气单元的中心所处的直线相互间距相等。较佳方案为0.25 < Ax/Ay^0.5o所述包层中的还可有部分空气孔或者全部空气孔填充有折射率低于光纤背景材料折射率、高于空气折射率的材料。所述材料可以为水、或乙醇、或二氧化碳气体、或聚四氟乙烯、或聚乙烯等。所述光纤的背景材料为聚四氟乙烯，或聚乙烯，或聚碳酸酯等聚合物材料。本发明所述的太赫兹光子晶体光纤具有以下优点1、与利用空气作为包层的太赫兹光子晶体光纤相比，本发明的太赫兹光子晶体光纤，不易受外界环境因素干扰，能够更好地适用于复杂的传输环境；2、与空芯光子禁带型太赫兹光子晶体光纤相比，大大降低了制作难度；3、在较宽的太赫兹波段内具有高双折射特性，在160 μ m 400 μ m波段内的双折射值均大于I. 8X10_3，且随波长增加，双折射值还可不断增加，适合应用于宽带太赫兹系统，
4、调整椭圆的长短轴、菱形空气单元的横向纵向对角线以及菱形空气单元的间距，即可获得某一双折射值的光纤；5、用现有光子晶体光纤的制作工艺和设备即可制作本发明光纤，且其制作相对其它太赫兹光子晶体光纤简单。
图I为本太赫兹光子晶体光纤实施例横截面不意图。图中a、b分别为椭圆空气孔的短轴和长轴，K、Ab分别为菱形空气单元内横向对角线和纵向对角线，Ax为同一排相邻的菱形空气单元中心的横向间距，Ay为同列相邻菱形空气单元中心的纵向间距。图2为本太赫兹光子晶体光纤实施例在100μπΓ400μπι波段内的双折射特性曲线。图3为本太赫兹光子晶体光纤实施例在包层中靠近纤芯的6个空气孔填充聚四氟乙烯材料后在100 μ π! 400 μ m波段内的双折射特性曲线。
具体实施例方式本太赫兹光子晶体光纤实施例如图I所不，该光纤的横截面分为纤芯和包层。纤芯为实心的背景材料，本例背景材料为高密度聚乙烯。包层环·绕纤芯，其上有规则排列的空气孔沿轴向延伸；所述光纤横截面上包层的空气孔结构相同，为椭圆空气孔，长轴和短轴分别为b和a,本例a=56 μ m、b=80 μ m, a/b= η =0.7。且每4个空气孔组成一个结构相同的菱形空气单元，包层上的多个菱形空气单元在背景材料中呈周期性排列。图I中上方4个虚线的空气孔表示一个菱形空气单元。椭圆空气孔的长轴与菱形空气单元的长对角线平行。本例各菱形空气单元的横向对角线Aa=120ym均相等，纵向对角线Ab=240ym，Λ a/ Ab=l/2。所述实心的背景材料的纤芯所占区域为一个菱形空气单元所占区域。且纤芯所占区域与其它菱形空气单元按相同周期排列。以某个菱形空气单元的横向对角线和纵向对角线的交点为该菱形空气单元的中心，同一排的菱形空气单元的中心处于同一直线，且同一排的相邻的菱形空气单元中心的横向间距Λχ=240μπι。相邻的两排的菱形空气单元错开，每间隔一排的各菱形空气单元成一列，同列的菱形空气单兀的中心处于同一直线，且各列中相邻的菱形空气单兀中心的纵向间距Ay=640ym，Ax/Ay=O. 375，各列菱形空气单元的中心所处的直线相互间距相等，本例为120 μ m。图2所示为本太赫兹光子晶体光纤实施例在100 μ m 400 μ m波段内的双折射特性曲线。其纵坐标为双折射值，横坐标为波长。由图2可以看出，本实施例的太赫兹光子晶体光纤在160μπι 400μπι波段内的双折射值都大于I. OX 10_3，而且随着波长的增加，双折射值不断增加，在400 μ m处双折射特性可达7. 168X 10_3。本例包层中可在环绕靠近纤芯的6个空气孔填充在太赫兹波段折射率n=l. 37的聚四氟乙烯材料，其折射率高于空气的折射率，低于背景材料高密度聚乙烯的折射率。本例包层中靠近纤芯的6个空气孔填充聚四氟乙烯后其在100 μ m 400 μ m波段内的双折射特性曲线如图3所示，与未填充时相比，横纵轴上的有效折射率差减少，即双折射程度有所降低。在240 μ m处双折射值为I. 144X10—3，在400μπι时的双折射值为3. 493Χ10—3。通过调整本例光纤的结构参数a、b、Λ a、Ab、Λ x、Λ y，可得到不同的双折射特性曲线图，即可得到在一定波段上的具有某个双折射值太赫兹光子晶体光纤。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.太赫兹光子晶体光纤，该光纤的横截面分为纤芯和包层，其特征在于 所述纤芯为实心的背景材料，包层环绕纤芯，其上有规则排列的空气孔沿轴向延伸；所述光纤横截面上包层的空气孔结构相同，且每4个空气孔组成一个结构相同的菱形空气单元，包层上的多个菱形空气单元在背景材料中呈周期性排列。
2.根据权利要求I所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述空气孔为椭圆空气孔，椭圆空气孔的长轴与菱形空气单元的长对角线平行。
3.根据权利要求2所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述椭圆空气孔短轴a和长轴b的比a/b= n，n的取值为0. 5彡n彡I。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述各菱形空气单元的横向对角线Aa均相等，纵向对角线Ab也相等，0〈Aa/Ab< I。
5.根据权利要求4所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述各菱形空气单元的横向对角线Aa和纵向对角线Ab之比满足下式0.4 < Aa/Ab 彡 I。
6.根据权利要求I至3中任一项所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述实心背景材料的纤芯所占区域为一个菱形空气单元所占区域，且纤芯所占区域与其它菱形空气单元按相同周期性排列。
7.根据权利要求I至3中任一项所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述包层内某个菱形空气单元的横向对角线和纵向对角线的交点为该菱形空气单元的中心，同一排的菱形空气单元的中心处于同一直线，且同一排中相邻的菱形空气单元中心的横向间距人!￡均相等。相邻的两排的菱形空气单元错开，每间隔一排纵向的菱形空气单元成一列，同列的菱形空气单元的中心处于同一直线，且同一列中相邻的菱形空气单元中心的纵向间距Ay均相等，各列菱形空气单元的中心所处的直线相互间距相等。
8.根据权利要求7所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述同一排中相邻的菱形空气单元中心的横向间距Aj^P同一列中相邻的菱形空气单元中心的纵向间距Ay的比满足下式0.25 彡 Ax/Ay 彡 0. 5。
9.根据权利要求I至3中任一项所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述包层中的有部分空气孔或者全部空气孔填充有折射率低于光纤背景材料折射率、高于空气折射率的材料。
10.根据权利要求I至3中任一项所述的太赫兹光子晶体光纤，其特征在于 所述光纤的背景材料为聚四氟乙烯，或聚乙烯，或聚碳酸酯的聚合物材料。
全文摘要
本发明为太赫兹光子晶体光纤，纤芯为实心背景材料，包层的空气孔结构相同，每4个空气孔组成一个结构相同的菱形空气单元，各菱形单元在背景材料中呈周期性排列。空气孔为椭圆孔,长轴与菱形单元的长对角线平行。各菱形单元的横向、纵向对角线相等。纤芯所占区域为一个菱形单元所占区域，按相同周期排列。多个菱形单元的中心横成排，横间距相等；间隔一排的纵成列，且纵间距相等。空气孔可有部分或全部填充折射率低于光纤背景材料、高于空气的材料。背景材料为聚四氟乙烯，聚乙烯，聚碳酸酯等聚合物材料。本光子晶体光纤不易受外界环境干扰，降低了制作难度；在较宽的太赫兹波段内具有高双折射，调整椭圆的长短轴等结构参数即可调节双折射值。
文档编号G02B6/02GK102707374SQ201210202739
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者唐剑, 徐文波, 陈明, 陈辉 申请人:桂林电子科技大学