[发明专利]一种太赫兹保偏光纤及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子材料技术领域，具体涉及太赫兹保偏光纤结构及其制作方法。

背景技术

太赫兹保偏光纤的研究尚处于起步阶段，文献多为理论研究结果，实际制备的太赫兹保偏光纤很少。通常采用几何结构的不对称性引入双折射，模式双折射（相双折射）可达10^-2数量级。已报道的太赫兹高双折射光纤主要为光子晶体光纤、多孔光纤和聚合物管光纤。传输损耗大是目前太赫兹保偏光纤的主要问题之一。在已报道的太赫兹高双折射光纤中，损耗通常为几十dB/m。这是因为绝大多数介质材料在太赫兹波段的吸收损耗较高。干燥空气对太赫兹波几乎没有吸收，因此人们通过各种方法提高太赫兹波在空气中的传输能量比例，从而降低传输损耗。然而，不论是光子晶体光纤、多孔光纤还是聚合物管光纤，部分能量还是通过介质来传输。太赫兹高双折射光纤的另外一个问题是对波的束缚能力弱，这不利于波的稳定传输。

为了改善传输损耗大和束缚能力弱的问题，我们基于介质/金属空芯光纤结构研究高双折射太赫兹光纤。介质/金属空芯光纤是通过在基管内面镀金属膜和介质膜得到的。介质膜能增加内表面反射率，从而有效降低光纤损耗。由于内膜在太赫兹波段的高反射率，绝大部分能量（> 99%）被束缚在空气纤芯中传输。这一方面有效降低了传输损耗，另一方面使得光纤传输特性不易受到环境干扰。该光纤具有传输损耗小、柔韧性好、结构简单等优点，是一种有发展前景的太赫兹传输光纤。可用于传输光，以及制作各种光电子器件、气体或者液体传感器等，广泛应用在医疗、科研、工业等领域。

发明内容

本发明的目的在于提出一种低损耗、高双折射的太赫兹保偏光纤优化结构及其制作方法。

1、低损耗、高双折射太赫兹光纤的结构参数的确定

本发明提出的太赫兹保偏光纤，为介质/金属空芯光纤，通过在基管内壁镀金属膜和介质膜得到。本发明通过引入椭圆横截面获得模式双折射。其结构如图1所示。其中a为椭圆截面长轴半径，b为椭圆截面短轴半径，d为介质膜厚度，s为金属膜厚度。优化设计主要从损耗和模式双折射两个方面考虑。 模式双折射表示为：B=|neff_x-neff_y|，其中neff_x、neff_y分别表示x偏振和y偏振的有效折射率。

图2为模式双折射和椭圆度（a/b）的关系曲线，图3为损耗和椭圆度的关系曲线。考虑三种短轴半径： 300 μm、 400 μm、500 μm。图2中三条曲线均在a/b =3附近得到双折射最大值。结合图3，随着椭圆度的增加，损耗先是迅速降低，然后平缓下降。在椭圆度大于3的区域，损耗的变化并不是很明显。结合这两个图，我们可以得到，对于双折射和损耗，椭圆度在3左右是比较理想的选择。在实际操作时，可取较优的椭圆度为2～4，更优选2.5～3.5。

接着分析光纤孔径和双折射、损耗的关系。图4为双折射和归一化孔径（                                                ）的关系曲线，λ为传输波长。计算中取传输波长为300μm。可见，归一化孔径越大，双折射越小。图中离散的点是计算结果，实线对应表达式：B= 0.16 ()^-3，点和实线吻合得很好。我们考虑了不同波长的情况，如图4中插图所示，当归一化孔径一定，双折射是恒定值。图5是损耗和归一化孔径的关系曲线。归一化孔径越大，损耗越小。然而当归一化孔径一定，双折射和波长有关，波长越小，损耗越小。结合这两个图，我们可以得到两个结论：① 双折射和损耗都和成正比。从这个角度，在选择光纤孔径尺寸的时候，要权衡损耗和双折射这两个因素；② 在长波长，更容易获得低损耗、高双折射光纤。

根据以上分析，在实际制备中，根据目标双折射和传输损耗选择长轴和短轴之比为2~4，并根据双折射和归一化孔径之间的关系确定孔径尺寸。理论上，该结构光纤在1 THz （300 μm）处可获得3×10^-2的模式双折射和2.4 dB/m的吸收损耗。 

2、本发明的低损耗、高双折射太赫兹光纤的制作方法 ，具体步骤如下：