[发明专利]一种太赫兹多孔光纤

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及传输太赫兹波的光纤。

背景技术

太赫兹波(Terahertz，THz)是指频率位于0.1THz到10THz波段的电磁波。近二十多年以来，低尺度半导体和超快光电子技术的发展为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，THz辐射机制、检测技术和应用技术研究得到快速发展，THz 波具有很多优越的特性和重要的应用价值，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、环境检测以及通讯雷达等领域。

迄今，大部分THz 系统都是基于THz 波在自由空间中的传输。这种结构体积庞大，不易集成，易受到外界的干扰，特别是水蒸气的影响，给THz 系统的稳定性以及集成化带来较大的困难，THz 波导器件的发展有望解决这些问题。然而由于金属有限的电导率以及电介质高的吸收系数，造成了传统的微波波段的金属波导和可见及红外波段的电介质光纤都不能用来长距离传输THz 波。要实现宽频带、大容量的远程通信系统，研发一种低损耗的THz 波导也成为首要需解决的技术。近年来，越来越多的国内外课题组进行了低损耗THz 波导的研究，由于空气对THz的吸收近似为零，各种波导设计致力于即能束缚THz波在波导里传输又能将纤芯模能量更多的分布于空气中，设计类型主要有亚波长尺度光纤、空芯光子带隙光纤和多孔光纤等。

亚波长光纤采用亚波长尺寸的实心棒为高折射率纤芯，纤芯周围的空气作为包层，由于光纤横向直径较小，传导模更多的分布于纤芯周围的空气包层里，从而达到降低吸收损耗的目的。这种光纤的主要缺点是大部分传导模能量分布于空气包层中，传输过程易受外界环境影响[S.P. Jamison, et al., “Single-mode waveguide propagation and reshaping of sub-ps terahertz pulses in sapphire fibers,” Appl. Phys. Lett., 2000 76:1987]。空芯光子带隙光纤是一种更优的选择，THz波在空芯中传输，即能实现THz波以低损耗长距离传输，又能有效的免除外界环境的干扰，但其传输带宽受到光纤带隙宽度的限制。[Y. F. Geng, et al., “Transmission loss and dispersion in plastic terahertz photonic band-gap fibers,” Appl. Phys. B, 2008 91: 333]。

多孔光纤可被认为是能与空心光子带隙光纤相比拟的一种低损耗光纤，S. Atakaramians [S. Atakaramians,et al., “Porous fibers: a novel approach to low loss THz waveguides,” Opt. Express，2008, 16(12): 8845]提出的多空光纤以六角晶格排列的亚波长空气孔组成的结构为纤芯，纤芯外空气作为包层，形成全内反射光纤。纤芯基模在空气孔与材料的界面处发生局域性的增强，因为每个界面处的模场强度增强系数为常数，所以模场强度增强的区域依赖于亚波长孔分布的位置，在越靠近光纤纤芯的地方，模场强度越强，因此模场分布呈近高斯分布。由于空气孔所占纤芯比例较大，模场能量大部分分布在空气孔中，从而减少了材料对THz波的吸收。这种光纤即能满足THz波的低损耗的长距离传输又能将大部分模场能量限制在纤芯中，降低了光传输过程中外部环境对其的干扰。光纤空气包层中模场能量所占比值可低于总能量的20%。J.J.Bai[J.J. Bai, et al., “A porous terahertz fiber with randomly distributed air holes” Appl. Phys. B, 2011 103: 381]等人提出了一种任意排列的多孔光纤，相对于六角晶格周期性排列的多孔光纤空气包层中能量所占比值可降低三分之一左右,但这种结构增加了材料损耗。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供一种能实现低损耗、宽带和免受外部干扰的用于太赫兹波传输的折射率引导型多孔光纤。