[发明专利]基于选择填充的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型光子晶体光纤的结构、设计方法、以及基于该光纤的光波与太赫兹波混合导引新机理。该新型光子晶体光纤基于材料选择填充方法设计，在很大波长范围内可同时实现对光波和太赫兹波的长距离有效导引，从而可直接用于基于光学差频方法产生太赫兹波的太赫兹辐射源中，还可利用该光纤实现各种新型太赫兹功能器件。

背景技术

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）是一种新型光纤，因其结构可灵活设计而具有诸多奇异特性，如无限单模传输、色散可裁剪、高双折射、高非线性等，从而可用于通信与传感等应用中。受限于损耗高、与光源或普通光纤连接困难、制作相对复杂等难题，PCF在长距离传输中尚不能取代普通光纤大规模应用。但是，基于PCF的各种新型功能器件已在一定程度上显示出优于传统器件性能的趋势。

太赫兹波是指处于微波与红外波段之间的电磁波段（Terahertz，THz）。相对于发展已很成熟的微波和光学技术，由于缺乏有效的THz源与探测方法，该波段一度被称为“太赫兹空白”，可广泛应用于成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域。

对于THz波段的各种功能器件，单一基于经典电磁理论的微波技术手段或基于量子理论的光学技术手段均遇到一些困难。人们在加快对THz器件材料研究的同时，还试图从器件结构等方面寻求突破。近年来，人们开始利用光子晶体这一特殊结构制作THz功能器件。光子晶体独特的机理与特性为THz功能器件提供了一种新的可能方法。将光子晶体与太赫兹波技术相结合，既可利用光子晶体对光特殊的约束能力制作各种THz功能器件，又可突破光波段光子晶体制作工艺瓶颈。

目前，THz波段光子晶体功能器件均为单一功能器件，主要利用光子晶体结构对THz波进行导引与控制。在采用光学差频等方法的THz辐射源中，还需光波导器件对输入光波进行导引与控制。如能将太赫兹源与波导功能器件相结合，提出光波和太赫兹波混合导引的新机理，获得可同时导引两种信号的混合波导器件，将具有非常重要的应用价值。

此外，基于一般光子晶体结构所构建的THz功能器件作用距离有限。利用基于光子带隙导光机理的二维光子晶体结构——光子晶体光纤来构建新型太赫兹功能器件，可进一步提升器件性能，特别是可实现THz信号的长距离有效导引，从而为新型THz功能器件设计提供一种新方法与有效途径。

另外，基于多种新型光学材料的灵活选择填充与复合结构设计，PCF特性更加灵活多变，从而可望在更大频率范围内对太赫兹信号进行导引和处理。当前，采用电学或光学方法产生的THz波分别集中在0.1～10THz的低端或高端附近。基于材料选择填充和复合结构的PCF“异构化”设计方法，可进一步丰富THz功能器件的设计与实现手段，大大提升器件的适用性与应用范围。

发明内容

技术问题：本发明的目的是设计一种基于选择填充的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤，提出该光纤的实现机理、结构与设计方法，基于该光纤可设计实现各种新型太赫兹功能器件。

技术方案：本发明的基于选择填充的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤技术方案包括新型混合导引机理、截面结构设计以及光纤设计方法等方面。其中：

本发明提出光子晶体光纤的一种光波与太赫兹波混合导引新机理，即通过一种新型复合结构PCF设计，处于光波长量级的结构参数设计可为光波传输提供必要条件，从而有利于光学差频等方法产生THz波过程中对光波的可靠导引；同时，在复合结构中引入处于THz波长量级的结构参数设计，还可为所产生的THz波提供良好导引。这种光波与太赫兹波混合导引的新机理，可克服以往THz波产生与THz波导器件分立的不足，从而可实现一体化的太赫兹混合波导器件。

本发明基于选择填充的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤可同时对光波和太赫兹波实现长距离有效导引；该光纤设计为一种复合结构，包括纤芯和包层两部分，包层中设有空气孔；几何结构参数如空气孔大小和孔间距存在毫米mm和微米μm两种尺度量级；选择部分空气孔填入高折射率材料以丰富光纤设计方法；纤芯位于包层中心的大空气孔中，其中，

包层部分由在二氧化硅材料基底内按三角晶格方式排列的小空气孔组成，该小空气孔大小和孔间距设置为mm量级，与太赫兹波长尺寸相当，从而构成太赫兹波导引光子晶体光纤；