[发明专利]基于双负曲率包层结构的太赫兹波导

说明书

本发明公开了一种基于双负曲率包层结构的太赫兹波导，它包括椭圆形包层管区域，圆形包层管区域，聚合物包覆层，纤芯区域；椭圆形包层管区域由6个间隔60°等间距环形排列的聚合物结构单元组成；圆形包层管区域由6个间隔60°等间距环形排列的聚合物结构单元组成；椭圆形管与圆形管单元结构相互连接构成波导的双负曲率包层区域。聚合物包覆层作为波导的包覆层实现了整个波导结构的几何完整性。太赫兹波从波导中心空芯输入，经过椭圆形包层管区域和圆形包层管区域的相互作用，特定频率的太赫兹波可以被有效束缚在波导纤芯内部，实现传输功能。本发明具有结构简单，性能高，损耗低，易于加工等优点。

技术领域

本发明涉及高传输性能太赫兹波导，尤其涉及基于双负曲率包层结构的太赫兹波导。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此，THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。

随着通信技术的发展，目前对于各种波导的需求也越来愈大，相对于传统波导，负曲率空芯波导具有灵活的色散、较低的损耗、高非线性、高双折射等优良特性和设计自由度，被广泛用于通信、传感、非线性光学及新型波导功能器件等领域。负曲率太赫兹波导是目前的一个研究热点，设计具有更佳优异传输特性的负曲率太赫兹波导对波导的相关应用具有重要意义。负曲率是指包层管围成的纤芯边界弯曲方向与圆形纤芯的弯曲方向正好相反，由于负曲率波导在传导太赫兹波时会引发包层管模和纤芯模的耦合作用，从而增加波导的传输损耗，因此负曲率太赫兹波导的包层管尺寸需要被严格设计。

负曲率太赫兹波导通常可以通过增加嵌套环或者增减包层管的数量来降低相应的传输损耗，然而这些方法很难对波导的传输损耗在数量级上产生改变。增加负曲率波导的包层管层数是降低传输损耗的有效方法之一，两层包层管的设计即可降低两个数量级的损耗。此外，已公开的研究结果表明椭圆形包层管比圆形包层管更有利于抑制波导的包层管模和纤芯模式的耦合，从而进一步降低损耗。

在负曲率空芯波导中，小曲率半径的纤芯边界可降低负曲率空芯波导的损耗，目前的负曲率空芯波导的包层结构大量为圆型空心管环，但管环尺寸并没有一味追求小曲率半径的纤芯边界，负曲率空芯波导的小曲率半径纤芯边界优势未充分发挥。在现有公开的设计方案[CN110333571A]中，设计了一种使用两层圆形空心管作为包层的结构，该方案使用玻璃作为波导的基底，并且尺寸较小，只能在中红外波段使用，无法在太赫兹波段使用。并且使用玻璃材料或者硅材料作为基底，增加了拉制难度和成本，不利于实际应用。当前在太赫兹波段需要一种制备难度较小，传播带宽大以及低传输损耗的高性能双层包层管负曲率太赫兹空芯波导。

发明内容

本发明为了克服现有技术不足，公开了一种结构简单，传输性能高的基于双负曲率包层结构的太赫兹波导，其目的在于通过椭圆形管与圆形管的双反谐振作用降低传输损耗，抑制高阶模的产生，同时解决小曲率半径纤芯边界优势未充分发挥的问题。并且本发明使用有机聚合物作为材料，易于实现波导的加工制作，降低难度，节约成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：