[发明专利]一种电控可调谐的多孔太赫兹带隙光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种塑料聚合物多孔光纤，特别是一种电控可调谐的多孔太赫兹带隙光纤。

背景技术

太赫兹波是指频率处于0.1THz到10THz之间，波长在30μm到3mm之间的电磁波。它介于微波与红外辐射之间，是电子学向光子学的过渡领域。由于太赫兹波所处的特殊波谱位置，使其具有透视性、安全性、高光谱信噪比的优越特性，具有重要的学术和应用价值，已经被广泛应用于物体成像、光谱分析、医疗诊断、材料分析测试以及无线通信等技术领域。可以说太赫兹技术不但在科学研究中处于重要的学术地位，而且对国家新一代信息产业的发展以及国防安全建设具有重要的战略意义。

高效的太赫兹辐射源和成熟的检测技术是推动太赫兹技术发展的首要条件，但太赫兹技术的广泛应用离不开满足不同应用领域要求的实用化功能器件的支撑。无线通信、多谱成像、雷达、安检等众多应用系统中迫切需要波导、开关、调制、滤波、耦合等功能器件。然而，太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置决定了太赫兹波与物质相互作用时呈现不同于微波和光波的独特性质，使得太赫兹技术在带来诸多优势的同时，也使成熟的光电子技术和微波技术在太赫兹波段的应用受到很大的限制，因此针对太赫兹波的具体特点，研制实用化的功能器件是太赫兹科学技术发展所面临的重大挑战之一。

由于空气中水蒸气对太赫兹波具有强烈的吸收，故以低损耗太赫兹波导为基础的太赫兹功能器件成为太赫兹技术发展的关键。目前比较受关注的低损耗太赫兹波导主要有金属线波导、空芯聚合物光子晶体光纤、聚合物多孔光纤。由于光子晶体光纤和多孔光纤结构设计更加灵活，可以通过改变光纤中空气孔的半径、孔间距等几何参数实现传统波导结构无法完成的功能，因此以微结构光纤为基础来构建和实现太赫兹功能器件成为一种比较理想的选择。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种低损耗、宽工作带宽、电控可调谐、性能稳定的多孔太赫兹带隙光纤，在太赫兹可调谐滤波和开关等技术领域中具有潜在的应用价值。

本发明的技术方案为：一种电控可调谐的多孔太赫兹带隙光纤，光纤的基底材料为塑料聚合物，其纤芯是由呈三角晶格排列的空气孔构成，包层是由呈三角晶格与蜂窝晶格排列的复合空气孔构成，包层中呈三角晶格排列的空气孔内填充了对电场敏感的向列相液晶。通过控制光纤周围的电场，改变液晶分子的取向，从而改变液晶的折射率，达到控制光纤的带隙特性、传导模式、传输特性和透射谱线，进而实现对太赫兹波的可调谐滤波和开关的功能。

所述包层中呈三角晶格排列的相邻两空气孔之间的距离Λ₁＝295μm，空气孔的直径d₁＝0.33Λ₁，呈蜂窝晶格排列的相邻两空气孔之间的距离空气孔的直径d₂＝0.55Λ₁。纤芯中相邻两空气孔之间的距离和空气孔的直径分别为Λ₂和d₂。

所述光纤的基底材料为高密度聚乙烯，折射率为1.534。包层中填充的液晶为5CB，且正常光和非常光折射率分别为1.53和1.75。

本发明的优点和积极效果是：采用多孔纤芯和复合空气孔包层构成的光子晶体带隙光纤，在包层中选择填充对电场敏感的向列相液晶，通过控制光纤周围的电场，改变液晶的折射率，从而改变光纤包层的有效折射率，实现对光纤传输特性和透射谱线的调制，进而达到对太赫兹波的可调谐滤波和开关等功能。此光纤还具有宽频带工作、低传输损耗等优点。

附图说明

图1电控可调谐多孔带隙光纤的横截面结构示意图。

图2光纤带隙范围和基模有效折射率随频率的变化曲线。

图3纤芯空气孔中的能量分数随频率的变化曲线。

图4基底材料的吸收损耗随频率的变化曲线。

图5光纤的透射率随频率的变化曲线。

图6液晶折射率和光纤透射率随液晶分子取向的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，光纤是由基底材料1和复合空气孔2、3构成的包层，以及多孔纤芯4组成，纤芯是由19个空气孔形成的多孔结构构成。包层中呈三角晶格排列的空气孔间距Λ₁＝295μm，空气孔直径d₁＝0.33Λ₁，呈蜂窝晶格排列的空气孔间距空气孔直径d₂＝0.55Λ₁。纤芯中空气孔间距和直径与空气孔2保持一致。空气孔3中填充了向列相液晶5CB，在填充液晶时预先将空气孔表面进行处理，注入一些活性试剂，将液晶分子的方向锚定为平行于光纤光轴的方向。