一种基于等差分层微结构的太赫兹高双折射光子晶体光纤的制作方法

本发明涉及光纤通信、传感和测量领域，具体涉及一种对纤芯微结构做等差分层设计，来构建的太赫兹超高双折射光子晶体光纤。

背景技术：

在经典光纤模型中，理想的光纤横截面在几何上具有圆对称性，材料的折射率也是呈圆对称分布的，因此光纤的基模具有两个相互正交的偏振态。然而，在实际应用中，光纤的横截面和折射率分布不可能具有完美的圆对称性，杂质、应力等因素的影响也具有很大的随机性。为避免这些因素对光纤中传播模式偏振态的随机影响，最有效的方法就是人为增大光纤的双折射。如果人为形成的双折射比随机因素引起的双折射大几个数量级，则这些随机因素将变为次要因素，可以被忽略。此外，在很多基于光纤的传感或测量系统中，越来越多地使用基于高双折射光纤的基础器件，如耦合器、起偏器、偏振分离器等等。由于这些器件都是基于光纤的，能够实现线上操作，利于集成，从而使得整个系统变得更加柔性、小型和轻便。

微结构光纤的出现为光纤及功能器件设计领域带来了前所未有的灵活性。大量研究表明，对光纤横截面结构做非对称的设计，能够显著提高其模式双折射。然而，以往的设计微结构基本单元通常尺寸和形状完全一致、且有序排列，在提高光纤的模式双折射上有一定局限。随着入射光频率的减小，纤芯对光场的限制能力会逐渐减弱，因此微结构基本单元对光场的调制能力有所削弱。

技术实现要素：

本发明针对同质微结构在提高模式双折射方面的局限性，提出了一种通过对光子晶体光纤纤芯微结构做等差分层设计，构建的太赫兹超高双折射光子晶体光纤。

所述基于等差分层微结构纤芯的太赫兹超高双折射光子晶体光纤，由包层、纤芯和涂覆层组成。纤芯和包层都可以设计为三角晶格排列。光纤横截面结构为聚合物材料内设若干空气孔，其中包层由大小一致的圆形空气孔组成，纤芯由大小满足等差分层条件的椭圆空气孔组成。纤芯结构的占空比（空气孔面积/材料面积）小于包层，因此本发明所述光纤为折射率引导型光纤。

所述基于光子晶体光纤纤芯微结构的等差分层设计，构建的超高双折射光子晶体光纤，对于通信波段的应用，光纤的基底材料可以选择二氧化硅。对于太赫兹波段的应用，基底材料可以选择pp，hdpe，abs，pmma，topas等聚合物材料。

所述基于光子晶体光纤纤芯微结构的等差分层设计，来构建的超高双折射光子晶体光纤，相比于纤芯微结构尺寸和形状完全一致的光子晶体光纤，由于对模场的限制能力更好，其模式双折射将显著提高。

所述基于等差分层微结构纤芯的太赫兹超高双折射光子晶体光纤，其目的是实现更高的模式双折射，因此纤芯微结构基本单元应设计为非对称结构，如椭圆、矩形、圆孔对、领结型等。

所述基于等差分层微结构纤芯的太赫兹超高双折射光子晶体光纤，其目的是实现更高的模式双折射，因此包层也可以设计为非对称结构。

作为优选，光纤基底材料可以选择topas。

作为优选，纤芯微结构基本单元设计为椭圆。

作为优选，纤芯微结构为三角晶格排列。

本发明具备以下优点：1.由于采用等差分层微结构设计，光纤的模式双折射将显著提高。相比于晶格结构相同，但纤芯微结构的尺寸和形状完全相同的高双折射光子晶体光纤，采用等差分层设计，当入射光频率为0.5-1.5thz，光纤的模式双折射约提高3倍。2.本发明所述方法，可以应用于多种高双折射光纤的设计，从而满足不同领域应用对光纤高双折射特性的要求。3.本发明从原理上改变了传统方法均匀一致的微结构设计，而采用等差分层结构。随着3d打印技术的广泛应用，基于复杂微结构纤芯的各种光纤器件将更容易被制造出来。因此，通过本方法设计的高双折射光纤将被广泛应用于光纤通信、传感和测量等领域。

附图说明

图1是基于椭圆短轴等差分层微结构纤芯的光子晶体光纤横截面。

图2是光纤基本结构。

图3是两种光纤纤芯微结构对比：纤芯微结构尺寸一致的光纤（光纤a）与采用等差分层结构设计的光纤（光纤b）。

图4是光纤a和光纤b基模稳态的模场分布。

图5是当入射光频率从0.5thz到1.5thz，光纤a和光纤b的模式双折射。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。

基于椭圆短轴等差分层微结构纤芯的超高双折射光子晶体光纤，由纤芯、包层和涂覆层组成。

包层由三角晶格排列的圆形空气孔组成，空气孔的直径d=420μm，晶格常数l=450μm。

纤芯微结构由三角晶格排列的椭圆空气孔组成，晶格常数l=40μm，椭圆长半轴和短半轴为a和b，a:b=3:1。设b=r，则a=3r。中心微结构椭圆短轴长度为3μm，第一层微结构椭圆短轴长度为4μm，第二层微结构椭圆短轴长度为5μm，第三层微结构椭圆短轴长度为6μm,，第四层微结构椭圆短轴长度为7μm，第五层微结构椭圆短轴长度为8μm。

在本实例中光纤基底材料选择环烯烃类聚合物topas，topas在太赫兹波段具有相对恒定的折射率1.53。

相对于纤芯微结构尺寸一致的光纤（记为光纤a），采用等差分层微结构设计的光纤（记为光纤b）能够显著提高光纤的模式双折射。附图4和5给出，当入射光频率为0.9thz时，光纤b的模式双折射最大。此时光纤a的模式双折射b=1.127×10^-2，光纤b的模式双折射b=4.07×10^-2，约提高了3.2倍。

光纤制造可以采用两种方式。对于太赫兹波段、且器件长度有限的应用，由于器件微结构尺寸较大，可以采用以聚合物为基材的3d打印方式来进行光纤的制作。也可以采用传统光纤拉制方法：用形状相同，但空心尺寸不同的聚合物波导管，分层密堆积的方式来制作光纤的预制棒，拉制后也能得到类似的微结构。两种方式制作的光纤都同样能够有效改善光纤特性，在宽工作频段实现超高模式双折射。

技术特征：

1.一种基于微结构纤芯的等差分层结构设计，构建的太赫兹超高双折射光子晶体光纤，其基本结构由纤芯、包层和涂覆层组成，光纤横截面结构为基底材料内设若干空气孔，其中包层由大小一致的圆形空气孔组成，纤芯由大小满足等差分层条件的椭圆空气孔组成。

2.根据权利要求1所述光纤，纤芯微结构为三角晶格排列，晶格常数可以设置为40μm，或其他尺寸。

3.根据权利要求1所述光纤，纤芯微结构形状包括但不限于椭圆形、矩形、菱形、三角形、领结型等结构。

4.根据权利要求1所述光纤，可选基底材料包括但不限于pp（聚丙烯），hdpe（高密度聚乙烯），abs（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）,pmma（聚甲基丙烯酸甲酯）,topas（环烯烃类聚合物）等材料。

5.根据权利要求1所述光纤，纤芯微结构的等差分层设计，指的是在光纤横截面上，纤芯微结构分为多层，微结构基本单元为椭圆，椭圆的长半轴a与短半轴b之比为3：1，中心椭圆的短半轴为r，每向外一层，椭圆的短半轴尺寸增大固定长度r。

6.根据权利要求1所述光纤，其特征在于，光纤为折射率引导型光子晶体光纤，在纤芯加入等差分层微结构，从而有效提高光纤的模式双折射。

7.根据权利要求1所述光纤，其特征在于，纤芯微结构为多层，当微结构尺寸随着层数增加而增大时，将有效增强光纤对光场的束缚能力，从而显著提高光纤的模式双折射。

8.根据权利要求1所述光纤，其特征在于，无论纤芯微结构基本单元为何种非对称结构，只要采用等差分层设计，结构尺寸随层数增加而增大，就能起到显著提高光纤模式双折射的作用。

技术总结
本发明提供了一种通过微结构纤芯的等差分层设计，构建的太赫兹超高双折射光子晶体光纤。本发明采用以聚合物材料为基底的折射率引导型光子晶体光纤，光纤包层由三角晶格排列的圆形空气孔组成，纤芯微结构由三角晶格排列的椭圆空气孔组成，椭圆空气孔的尺寸采用等差分层设计，椭圆短轴长度随层数增加而增大。采用本发明所述方法设计的太赫兹光纤，模式双折射能够显著提高。在入射光频率为0.9THz时，光纤的模式双折射最大，达到4.07×10‑2。相比于晶格结构完全相同，纤芯微结构尺寸一致的光子晶体光纤，当入射光频率为0.5‑1.5THz时，光纤的模式双折射约提高3倍。对于通信、传感、测量等领域偏振器件的应用，本发明能够起到优化设计，显著提高器件性能的作用。

技术研发人员：李珊珊;常胜江;范飞;张昊;白晋军;郭磊
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：2019.09.09
技术公布日：2019.11.22