[发明专利]分层微结构多孔光纤太赫兹低损耗波导

说明书

本发明提供了一种基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导。基底材料采用环烯烃类聚合物TOPAS，光纤横截面由三角晶格排列、半径满足差分层条件的亚波长圆形空气孔阵列组成。研究表明，当工作频率大于1.15THz时，归一化吸收损耗低于多孔度相等的均匀微结构多孔光纤，同时基模在空气包层中的能量分数降低了近70％，从而能够有效降低外界环境的干扰。本发明所述光纤能够显著改善均匀微结构多孔光纤在高频模场劣化、传输带宽有限、易受环境干扰等方面的不足。对于太赫兹波段宽带、低损耗波导和功能器件的应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及太赫兹波传输领域，具体涉及一种基于分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导。

背景技术

太赫兹应用技术发展的一个迫切要求，就是如何使体积庞大的太赫兹空间光路系统向柔性、小型和轻便的方向发展。采用波导传输太赫兹波，并应用基于波导结构的太赫兹功能器件，能够实现对太赫兹波的线上操作，从而大大降低系统的连接损耗，减小系统体积，降低设计的复杂度。深入研究基于光子晶体光纤、多孔光纤等结构的聚合物波导和功能器件，对太赫兹技术的发展具有重要意义。

多孔光纤概念由Atakaramian以及Hassani 等人于2008年同时提出，一经提出就引起了广泛关注。它的传导机制不同于两种常见的光子晶体光纤——基于光子带隙原理的光子晶体光纤，和折射率引导型实芯光子晶体光纤。多孔光纤以空气为包层，纤芯具有多孔结构，因此它能够把导模的大部分能量局限在纤芯微空气孔中传输。而干燥空气在太赫兹波段的吸收损耗系数接近于零，因此这种结构大大降低了基底材料的吸收损耗，从而实现了太赫兹波段的低损耗传输。此外，多孔光纤以空气为包层，基于全内反射原理导光。因此它不像带隙型光子晶体光纤那样，需要保证微结构的完美周期性。制作多孔光纤时，对纤芯微结构的周期性和形变都没有严苛的要求，因此光纤拉制的难度被大大降低。多孔光纤在传感和通讯领域有着很大的应用潜力。

然而，由于多孔光纤以空气为包层，因此易受环境干扰。这在很大程度上限制了多孔光纤的应用。此外，传统多孔光纤通常被设计为均匀微结构，纤芯微结构基本单元的形状和尺寸完全一致，因此在高频波段，基模x，y偏振两模式的模场将会发生劣化，从而使光纤的工作带宽变窄。本发明针对多孔光纤在高频模场劣化、传输带宽有限、易受环境干扰等方面的不足，提出了一种通过对光纤内部微空气孔阵列的等差分层设计，来显著改善光纤传输性能的太赫兹低损耗波导。光纤基底材料采用环烯烃类聚合物（TOPAS），TOPAS是一种柔软的聚合物材料，在太赫兹波段具有低损耗、折射率恒定、易于弯曲等优点。

发明内容

本发明针对多孔光纤在高频模场劣化、传输带宽有限、易受环境干扰等方面的不足，提出了一种通过对光纤内部微空气孔阵列的等差分层设计，来显著改善光纤传输性能的太赫兹低损耗波导。

所述基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导，其结构为圆形聚合物波导线内含若干亚波长尺度、沿轴向延伸、三角晶格排列的圆形空气孔，空气孔的尺寸采用等差分层设计，即纤芯微空气孔分为多层，设中心圆的半径为r，每向外一层，圆的半径尺寸增大固定长度r。

所述基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导，作为纤芯基本功能单元的空气孔，其横截面形状包括但不限于圆形、矩形、椭圆形、蜂窝状或其他组合孔阵列等结构。

所述基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导，纤芯微结构可以采用三角晶格、四方晶格、八角晶格等结构。

所述基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导，其特征在于，光纤内部空气孔阵列采用分层设计，不同层空气孔的尺寸满足一定关系，这种关系包括但不限于等差数列，也可满足等比数列，斐波那契数列、非均匀差数列等，其目的是通过调节空气孔阵列的尺寸形成折射率梯度差，从而显著改善光纤的传输性能。

所述基于等差分层微结构多孔光纤的太赫兹低损耗波导，不仅可以应用在太赫兹波段，也可推广到微波、红外、可见光等波段。