專利名稱：一種太赫茲波纖維波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳輸太赫茲波的纖維波導(dǎo)，尤其是采用周期性微結(jié)構(gòu)、具有偏振保持能力的太赫茲纖維波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
0.1--10THz的太赫茲波輻射是頻率位于紅外和微波之間的電磁波，與技術(shù)成熟的鄰波段相比，長期以來人們對它的了解非常有限，以至于被稱為電磁波譜中的THz空隙。近些年，自由電子激光和飛秒激光的發(fā)展為太赫茲波技術(shù)應(yīng)用提供了穩(wěn)定、可靠的輻射源，太赫茲波輻射的產(chǎn)生機(jī)理、檢測技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研究得到蓬勃發(fā)展，太赫茲波輻射光子能量低、穿透能力強(qiáng)，對混凝土、陶瓷、木材和塑料等常見包裝材料具有較強(qiáng)的穿透能力，對人等生物進(jìn)行活體安全檢查時(shí)比X射線更安全，對無損檢測物體內(nèi)部隱藏的金屬或生物成份時(shí)很靈敏，在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動(dòng)通訊、尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面不斷發(fā)現(xiàn)太赫茲波新的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。
遺憾的是，穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢本身也是太赫茲波應(yīng)用的一個(gè)障礙。太赫茲波輻射源大多體積龐大，不便移動(dòng)。太赫茲波自由空間傳輸?shù)奶掌澆ㄊ鴻z測系統(tǒng)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大，即便沒有搬動(dòng)，使用前都要對金屬反射鏡進(jìn)行精確調(diào)試。而太赫茲波束非可見光，調(diào)試難度大。另外，太赫茲波束在自由空間傳輸?shù)膿p耗較大，要求太赫茲波輻射源功率大，這也是現(xiàn)有太赫茲波應(yīng)用系統(tǒng)身大體沉的原因。太赫茲波技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展迫切需要太赫茲波纖維波導(dǎo)的出現(xiàn)。
太赫茲波技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向是進(jìn)行波束干涉。干涉要求太赫茲波束在傳輸過程中保持其偏振特性，這為太赫茲波纖維波導(dǎo)的研制提出了更高的要求。近些年國外研究者提出了一些新結(jié)構(gòu)太赫茲波導(dǎo)，例如，2004年S.Coleman和D.Grischkowsky在Apply PhysicsLetter雜志第84卷第5期654-6頁P(yáng)arallel plate THz transmitter一文中公開報(bào)道的在半導(dǎo)體基底上制作的微帶、共面帶狀線及共面太赫茲波導(dǎo)，2000年G.Gallot和S.P.Jamison等人在J.Opt.Soc.Am.雜志第B16卷851頁Terahertz waveguides一文中公開報(bào)道的采用不同材料如金屬管制作太赫茲波導(dǎo)，2000年S.P.Jamison和R.W.McGown等人在Appl.Phys.Lett.雜志第76卷第1987頁Single-mode waveguide propagation and reshaping of sub-ps terahertz pulses insapphire fibers一文中公開報(bào)道的寶石纖維太赫茲波導(dǎo)，2000年R.Medis和D.Grischkowsky在J.Appl.Phys.雜志第88卷第4449頁P(yáng)lastic ribbon THz waveguides一文中公開報(bào)道的塑料帶太赫茲波導(dǎo)，以及2002年H.Han和H.Park等人在Microwave Symposium Digest，IEEEMTT-S International雜志第2卷第2-7期第1075頁Terahertz Pulse ProPagation in PlasticPhotonic Crystal Fibers一文中公開報(bào)道的三角格子光子晶體太赫茲波導(dǎo)的研制嘗試。但是，這些研制工作中尚未有考慮傳輸太赫茲波束的保偏要求，難以滿足太赫茲波束干涉應(yīng)用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了填補(bǔ)在研太赫茲波導(dǎo)在偏振保持(Polarization-maintaining)功能方面的空白，本發(fā)明以聚合物毛細(xì)管和柱按軸向平行排列形成方格子微結(jié)構(gòu)(Microstructured)纖維波導(dǎo)，芯區(qū)采用二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形，使在其中傳輸?shù)奶掌澆ㄊ钠裉匦缘靡员３帧?br> 本發(fā)明解決太赫茲波在纖維波導(dǎo)傳輸過程中偏振保持問題所采用的技術(shù)方案如下。
偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)包括傳輸太赫茲波的芯區(qū)、約束傳輸波的包層區(qū)和外套管，包層區(qū)是由聚合物毛細(xì)管按軸向平行排列形成的太赫茲波低折射率區(qū)域，芯區(qū)是由同一種聚合物的毛細(xì)柱按軸向平行排列形成的太赫茲波高折射率區(qū)域，毛細(xì)柱和毛細(xì)管外表面尺寸相同，毛細(xì)管、毛細(xì)柱和外套管由相同的聚合物制成，本發(fā)明的特征是在纖維波導(dǎo)橫截面上，各毛細(xì)柱、毛細(xì)管柱心連線形成的均勻網(wǎng)格為正四方格子或長方格子，構(gòu)成芯區(qū)的毛細(xì)柱的外圍輪廓為二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形；芯區(qū)為矩形、橢圓形、長X形，或長菱形的二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形；柱形毛細(xì)管為內(nèi)外同柱心的中空毛細(xì)管，內(nèi)外同為圓柱形，或者內(nèi)外同為橢圓柱形，或者外為圓柱形內(nèi)為橢圓柱形，或者外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形；若中空毛細(xì)管采用橢圓形，橢圓長軸平行于芯區(qū)二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形的對稱軸方向。
本發(fā)明的有益效果如下首先，采用二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形的纖維波導(dǎo)芯區(qū)將使在其中傳輸?shù)奶掌澆▽?dǎo)模中兩個(gè)垂直偏振態(tài)的傳輸常數(shù)產(chǎn)生明顯差異，帶來10-3量級(jí)以上的模式雙折射，形成較強(qiáng)的偏振保持能力。與2002年H.Han和H.Park等人在Microwave Symposium Digest，IEEE MTT-SInternational雜志第2卷第2-7期第1075頁Terahertz Pulse Pro Pagation in Plastic PhotonicCrystal Fibers一文中公開報(bào)道的三角格子光子晶體太赫茲波導(dǎo)具有的六重旋轉(zhuǎn)對稱性不同的是，方格子是二重旋轉(zhuǎn)對稱，對應(yīng)纖維波導(dǎo)中導(dǎo)模兩垂直偏振態(tài)可具有不同的等效折射率和傳播常數(shù)，易產(chǎn)生幾何雙折射，形成偏振保持能力。
其次，由于毛細(xì)管和毛細(xì)柱采用同一種聚合物，制作材料單一，太赫茲波纖維波導(dǎo)的模式雙折射穩(wěn)定。雙折射穩(wěn)定，偏振保持性質(zhì)穩(wěn)定，這在目前保偏纖維波導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用中非常重要。除天然雙折射材料如方解石外，人為產(chǎn)生雙折射的途徑主要有兩種，即應(yīng)力雙折射和幾何雙折射或叫結(jié)構(gòu)雙折射。傳統(tǒng)保偏纖維波導(dǎo)依靠包層區(qū)中應(yīng)力施加單元對芯區(qū)的應(yīng)力作用而產(chǎn)生雙折射，而應(yīng)力常常隨溫度變化，降低了保偏性能的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明以單一聚合物毛細(xì)管、柱制作纖維波導(dǎo)，雙折射源于芯區(qū)折射率分布的空間不對稱，屬于對溫度變化不敏感的幾何雙折射，溫度穩(wěn)定性好，偏振保持性質(zhì)穩(wěn)定。
與目前正在研制的一些太赫茲波纖維波導(dǎo)相比，本發(fā)明的波導(dǎo)包層區(qū)空氣所占區(qū)域面積大，芯區(qū)與包層間等效折射率之差高，對太赫茲波的約束能力強(qiáng)，而且可以彈性調(diào)整，具有降低傳輸損耗的較大潛力。
而且，設(shè)計(jì)自由度大。周期性微結(jié)構(gòu)太赫茲波纖維波導(dǎo)的管堆積制作方式為各種非對稱微結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了寬闊的平臺(tái)，可以靈活設(shè)計(jì)各種對稱或非對稱結(jié)構(gòu)，通過改變部分周期性空氣孔的形狀、大小或位置，改變保偏性能。結(jié)構(gòu)參數(shù)對相應(yīng)保偏性能的影響表征性強(qiáng)，容易控制。
最后，本發(fā)明公開的周期性微結(jié)構(gòu)太赫茲波纖維波導(dǎo)制作不需大型設(shè)備，成本低，成品率高。


圖1為本發(fā)明第1實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明第1實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)中頻率為0.3THz的傳輸基模在其橫截面上的強(qiáng)度分布圖。
圖3為本發(fā)明第2實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明第2實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)中頻率為0.3THz的傳輸基模在其橫截面上的強(qiáng)度分布圖。
圖5為本發(fā)明第3實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明第3實(shí)施例的太赫茲波纖維波導(dǎo)中頻率為0.3THz的傳輸基模在其橫截面上的強(qiáng)度分布圖。
圖中纖維波導(dǎo)的外套管1，毛細(xì)圓管2，毛細(xì)圓柱3，正四方格子網(wǎng)格4，矩形芯區(qū)5，外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6，毛細(xì)橢圓柱7，長方格子網(wǎng)格8，橢圓形芯區(qū)9，內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10，長X形芯區(qū)11。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1正四方格子結(jié)構(gòu)包層區(qū)、矩形芯區(qū)偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)，橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。
毛細(xì)圓柱3、毛細(xì)圓管2和纖維波導(dǎo)的外套管1材料同為均勻的高密度聚乙烯。毛細(xì)圓柱3和毛細(xì)圓管2的外半徑同為0.37mm，毛細(xì)圓管2內(nèi)半徑為0.12mm，內(nèi)外同柱心。纖維波導(dǎo)的外套管1的橫截面為正四方形，壁厚均勻，壁厚為0.35mm，其中空尺寸為12.6mm×12.6mm。
在纖維波導(dǎo)的外套管1中，將17×17個(gè)毛細(xì)圓管2按軸向平行方式周期排列，橫截面上每4個(gè)相鄰的毛細(xì)圓管2柱心連線形成均勻的正四方格子網(wǎng)格4。
將纖維波導(dǎo)中央?yún)^(qū)域的5×3個(gè)毛細(xì)圓管2以5×3個(gè)毛細(xì)圓柱3代替，構(gòu)成芯區(qū)。在纖維波導(dǎo)橫截面上，芯區(qū)外圍輪廓為x軸向長3.7mm、y軸向長2.22mm的矩形芯區(qū)5。
余下的毛細(xì)圓管2構(gòu)成包層區(qū)。
頻率為0.3THz的傳輸基模在該偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)橫截面上的強(qiáng)度分布，如圖2所示。這是按照本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用美國Rsoft公司出品的電磁場模擬計(jì)算軟件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve軟件進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果。該基模的雙折射等于1.025×10-3，表明該型偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)具有較強(qiáng)的偏振保持能力。
實(shí)施例2長四方格子結(jié)構(gòu)包層區(qū)、橢圓形芯區(qū)偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)，橫截面結(jié)構(gòu)如圖3所示。
毛細(xì)橢圓柱7、外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6和纖維波導(dǎo)的外套管1材料同為均勻的聚四氟乙烯。毛細(xì)橢圓柱7和外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6的外橢圓長軸半徑為0.37mm、短軸半徑為0.29mm，外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6的內(nèi)半徑為0.12mm，內(nèi)外同柱心。纖維波導(dǎo)的外套管1的橫截面為矩形，壁厚均勻，壁厚為0.35mm，其中空尺寸為12.6mm×9.9mm。
在纖維波導(dǎo)的外套管1中，將17×17個(gè)外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6按軸向平行、橢圓長軸相互平行的方式周期排列，橫截面上各外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6柱心的連線形成長四方格子網(wǎng)格8。
將纖維波導(dǎo)長四方格子中央?yún)^(qū)域的23個(gè)外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6以23個(gè)毛細(xì)橢圓柱7代替，構(gòu)成芯區(qū)。在橫截面上，芯區(qū)外圍輪廓為橢圓形芯區(qū)9，在x軸向橢圓長軸半徑約2.5mm，在y軸向橢圓短軸半徑約1.5mm。
余下的外為橢圓柱形內(nèi)為圓柱形的毛細(xì)管6構(gòu)成包層區(qū)。
頻率為0.3THz的傳輸基模在該偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)橫截面上的強(qiáng)度分布，如圖4所示。這是按照本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用美國Rsoft公司出品的電磁場模擬計(jì)算軟件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve軟件進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果。該基模的雙折射等于3.121×10-3，表明該型偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)具有較強(qiáng)的偏振保持能力。
實(shí)施例3長方格子結(jié)構(gòu)包層區(qū)、長X形芯區(qū)偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)，橫截面結(jié)構(gòu)如圖5所示。
毛細(xì)橢圓柱7、內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10和纖維波導(dǎo)的外套管1材料同為均勻的聚碳酸酯。毛細(xì)橢圓柱7和內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10的外橢圓長軸半徑為0.37mm、短軸半徑為0.29mm，內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10內(nèi)橢圓長軸半徑為0.15mm、短軸半徑為0.11mm，內(nèi)外同柱心。纖維波導(dǎo)的外套管1的橫截面為矩形，壁厚均勻，壁厚為0.35mm，其中空尺寸為12.6mm×14mm。
在纖維波導(dǎo)的外套管1中，將17×24個(gè)內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10按軸向平行、橢圓長軸相互平行的方式周期排列，橫截面上各內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10柱心的連線形成長方格子網(wǎng)格8。
將纖維波導(dǎo)中央?yún)^(qū)域的8個(gè)內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10以8個(gè)毛細(xì)橢圓柱7代替，構(gòu)成芯區(qū)。在橫截面上，芯區(qū)外圍輪廓為長X形芯區(qū)11，長X形在x軸向長3.7mm，在y軸向長2.96mm。
余下的內(nèi)外同為橢圓柱形毛細(xì)管10構(gòu)成包層區(qū)。
頻率為0.3THz的傳輸基模在該偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)橫截面上的強(qiáng)度分布，如圖6所示。這是按照本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用美國Rsoft公司出品的電磁場模擬計(jì)算軟件RSoft Photonics CAD Suite Version 5.1.9中Bandsolve軟件進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果。該基模的雙折射等于2.034×10-2，表明該型偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)具有較強(qiáng)的偏振保持能力。
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波纖維波導(dǎo)，包括傳輸太赫茲波的芯區(qū)、約束傳輸波的包層區(qū)和外套管，包層區(qū)是由毛細(xì)管按軸向平行排列形成的太赫茲波低折射率區(qū)域，芯區(qū)是由毛細(xì)柱按軸向平行排列形成的太赫茲波高折射率區(qū)域，毛細(xì)柱和毛細(xì)管外表面尺寸相同，毛細(xì)管、毛細(xì)柱和外套管由相同的聚合物制成，其特征是在纖維波導(dǎo)橫截面上，各毛細(xì)柱、毛細(xì)管的柱心連線形成的均勻網(wǎng)格為方格子，構(gòu)成芯區(qū)的毛細(xì)柱的外圍輪廓為二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波纖維波導(dǎo)，其特征是所述芯區(qū)二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形為矩形、橢圓形、長X形或者長菱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波纖維波導(dǎo)，其特征是所述方格子為正四方格子或者長方格子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲波纖維波導(dǎo)，其特征是所述毛細(xì)管為內(nèi)外表面同柱心的中空毛細(xì)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的太赫茲波纖維波導(dǎo)，其特征是所述內(nèi)外同柱心的中空毛細(xì)管內(nèi)外表面同為圓柱形，或者內(nèi)外表面同為橢圓柱形，或者外表面為圓柱形內(nèi)表面為橢圓柱形，或者外表面為橢圓柱形內(nèi)表面為圓柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲波纖維波導(dǎo)，其特征是所述中空毛細(xì)管橫截面的橢圓長軸平行于芯區(qū)二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形的對稱軸方向。
全文摘要
一種偏振保持型太赫茲波纖維波導(dǎo)為以價(jià)格低廉的柔韌聚合物毛細(xì)管和毛細(xì)柱按軸向平行排列形成正四方或長方格子的纖維波導(dǎo)，其矩形、橢圓形、長X形，或長菱形的二重旋轉(zhuǎn)對稱圖形芯區(qū)具有較大模式雙折射，例如10
文檔編號(hào)G02B6/00GK1811498SQ20061005674
公開日2006年8月2日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者婁淑琴, 盛新志 申請人:北京交通大學(xué)