[发明专利]一种太赫兹光子晶体光纤耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹传输技术，尤其涉及一种基于光纤结构的太赫兹耦合器。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波位于电磁波谱中微波与红外波段之间，是指频率在0.1~10 THz（波长为30~3000 μm） 范围内的电磁波(1 THz=10¹² Hz)。太赫兹波在高数据率通信、光谱应用、医学与生物探测等方面都有重要作用。太赫兹波极易被介质材料吸收，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在0.5 THz时吸收损耗为4.3 cm^-1；高密度聚乙烯(HDPE)在0.1～3THz波段的吸收损耗小于l cm^-1，好于聚甲基丙烯酸甲酯；而吸收损耗较低的聚四氟乙烯 (Teflon)，在1 THz(即波长为300微米)时的吸收损耗仍达到了0.3 cm^-1(即约130 dB/m) [G. Masahiro, et al. “Teflon Photonic Crystal Fiber as Terahertz Waveguide（聚四氟乙烯太赫兹光子晶体光纤波导）,” Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(2B), L317-L319]。

光纤定向耦合器可实现将一束光分为两束或几束光，是一种常用的光无源器件。一种比较简单的太赫兹光纤耦合器结构是将两根普通光纤靠得很近，从而使太赫兹波从一根光纤耦合到另一根光纤[A. Dupuis, et al.,“Fabrication and THz loss measurements of porous subwavelength fibers using a directional coupler method（太赫兹亚波长光纤的制作及采用方向耦合器测量其损耗的研究）,” Optics Express, 2009, 17(10), 8012-8028]。这种耦合光纤的优点是太赫兹波有很大一部分能量在光纤外传输，从而减少材料对太赫兹能量的吸收，降低了其传输损耗。然而这种耦合光纤结构不稳定，很难控制能量耦合的程度，而且容易造成散射损耗。Kristian Nielsen等人提出一种太赫兹光纤方向耦合器[K. Nielsen, et al. Broadband terahertz fiber directional coupler（宽带太赫兹光纤方向耦合器）, Optics Letters, 2010, 35(17), 2879-2881]，通过在双芯光子晶体光纤的两个纤芯中引入多个小的空气孔，可以实现宽带的耦合。 但这种光纤的长度近20 cm，对于极易被介质吸收的太赫兹波而言，其长度过长。例如，设基质材料为Teflon，其在300微米波长时的吸收损耗为130 dB/m，则太赫兹波经过这个器件后，总能量将被衰减26 dB。因此，应严格控制耦合器的长度，从而避免太赫兹波在耦合器中传输时过大的能量损失。

与近红外光相比，太赫兹波的波长要长得多，因此，具有较宽工作带宽的太赫兹耦合器，在实际应用中将有优势。所以既能够在较宽的带宽范围内工作、又具有低的传输损耗，是太赫兹光纤耦合器实际应用的基本要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现低损耗、宽带宽工作、性能稳定的太赫兹光子晶体光纤耦合器。

本发明的技术方案是：一种太赫兹光子晶体光纤耦合器，包括包层和纤芯，所述纤芯为三个，由位于正六边形顶点的内层空气孔包围而成，其中第一纤芯由位于基质材料中心位置，第二纤芯和第三纤芯对称的位于所述第一纤芯两侧；所述包层由纤芯以外的外层空气孔、内层空气孔和基质材料组成，多个所述外层空气孔在所述内层空气孔外围成网络，且相邻所述外层空气孔之间等间距；所述第一纤芯为输入端，所述第二纤芯和第三纤芯为输出端；光纤耦合器的长度等于纤芯基模的耦合长度；所述内层空气孔和外层空气孔的孔周期Λ相同，所述外层空气孔的直径d₁和内层空气孔的直径d₂之间的关系满足d₁≥ d₂。