基于选择填充的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤

摘要

本发明公开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。以往的太赫兹功能器件是仅可导引太赫兹波的单一功能器件，在采用光学方法产生太赫兹波的过程中还需额外引入光波导器件。本发明提出的光波与太赫兹波混合导引的新型光子晶体光纤，通过采用材料选择填充方法，设计为一种复合结构，结构参数设计分别引入光波长与太赫兹波长两种尺度，可同时实现对光波和太赫兹波的混合导引，从而可实现一体化的太赫兹波功能器件。本发明所提出的新型复合结构光纤具有结构简单、设计灵活、性能良好等优点，还可有效降低光纤设计和实现的复杂度。

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；

纤芯部分由一个大空气孔内填入的小尺寸双芯光子晶体光纤组成，该双芯结 构构成光波导引光子晶体光纤，在纤芯x轴方向的一排空气孔中填入高折射率介 质棒；为有效导引光波，其几何结构参数如空气孔大小和孔间距设计为μm量级， 与光波波长尺寸相当。

所述包层中基底折射率n_si为1.51，空气孔直径为d₁=0.3mm，孔间距为 Λ₁=0.45mm。

所述纤芯部分基底折射率n_si为1.51；空气孔直径d₂和填充材料孔直径d₃相同， 即d₂=d₃=3μm；孔间距为Λ₂=7.5μm；填充材料折射率n_f为1.65。

在所设计的同一光子晶体光纤中，光波和太赫兹波可同时导引传输，其中，

两束光波可分别在所设计的双芯光子晶体光纤中传输并相互作用和影响，当 满足一定的匹配条件时，两束光波通过光学差频等作用产生太赫兹波；

太赫兹波受所设计的光子晶体光纤作用，约束在纤芯中有效传输。通过光子 晶体光纤的特定结构设计，可在其中获得较好的传输特性。

通过以上光子晶体光纤中光波与太赫兹波混合导引过程，从而可基于该新型 光子晶体光纤实现一体化的光波与太赫兹波混合波导器件。

有益效果：本发明公开一种可用作太赫兹功能器件的新型光子晶体光纤结构、 设计方法以及光波与太赫兹波混合导引的新机理。

以往的太赫兹功能器件是仅可导引太赫兹波的单一功能器件，在采用光学方法 产生太赫兹波的过程中还需额外引入其他光波导器件。本发明所提出的新型光子 晶体光纤，通过在纤芯和包层引入两种不同量级的几何尺度设计，形成了一种新 型复合结构，可同时实现对光波和太赫兹波的混合导引，从而可实现一体化的太 赫兹波功能器件。

本发明所提出的新型光纤具有结构简单、设计灵活、性能良好等优点，还可有 效降低光纤设计和实现的复杂度。

附图说明

图1是光波与太赫兹波混合导引的新型光子晶体光纤截面结构设计示意图。

图2是所设计的新型光子晶体光纤的纤芯部分截面结构设计示意图，该光纤 的结构参数设计为光波长量级。

图3是在所设计的参数条件下，太赫兹波导引光子晶体光纤的等效折射率随 输入太赫兹波信号频率的变化曲线。该曲线用于描述太赫兹波在光子晶体光纤中 的传输特性。

具体实施方式

本发明中光纤的截面结构设计为一种复合结构。在光纤结构中同时存在光波长 和太赫兹波长两种尺度的参数设计，即在一般光子晶体光纤设计基础上引入多种 尺度设计而形成复合结构。

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的截面结构 设计如图1所示。其中：

对于太赫兹波导引PCF，包层遵循一般光子晶体光纤设计，由在二氧化硅材料 的基底内按三角晶格方式排列的空气孔组成。太赫兹频率范围为0.1～10THz，所对 应的波长范围一般在0.03～3mm。为有效引导太赫兹波，包层几何结构参数如空气 孔大小和孔间距设计为mm量级。纤芯部分设计为复合结构，由一个大空气孔内 填入的小尺寸双芯结构的光子晶体光纤组成。

纤芯部分的光波导引PCF结构设计如图2所示，该光纤设计为双芯光子晶体 光纤，也遵循一般光子晶体光纤设计方法。区别在于纤芯x方向的一排空气孔中 掺入了高折射率介质棒。为有效导引光波，其几何结构参数如孔径和孔间距设计 为μm量级。该光纤设计为双芯结构，两束光波可在其中传播并相互作用与影响。 当满足一定的匹配条件时，两束光波通过光学差频作用过程可产生相应的THz波。

以上所设计的PCF中，光学差频所产生的THz波也受PCF作用而在其中传播， 其传输等效折射率受输入THz波长的影响如图3所示。该曲线表示THz波在所设 计的新型光子晶体光纤中的传输特性，并由此可进一步分析和计算出该PCF中THz 波的色散、双折射等特性，基于该光纤可实现各种新型太赫兹功能器件。

本发明的光波与太赫兹波混合导引光子晶体光纤的结构与参数设计具体如下：

光子晶体光纤的包层遵循一般光子晶体光纤设计，由在二氧化硅材料的基底内 按正规三角形晶格排列的空气孔组成，在本发明中典型参数设置为：基底材料折 射率n_si为1.51，空气孔直径d₁=0.3mm，孔间距为Λ₁=0.45mm。

纤芯部分为复合结构，首先将其设计为一个掺杂高折射率介质棒的双芯光子晶 体光纤。本发明中的典型参数设置为：基底折射率n_si为1.51；空气孔直径d₂和填 充材料孔直径d₃相同，即d₂=d₃=3μm；孔间距为Λ₂=7.5μm；然后，将该PCF作为 一个整体填入中间的大尺寸空气孔中。

最后，按普通PCF的堆积拉丝方法可获得所设计的新型光纤。

本发明中光纤的设计引入了一种材料选择填充方法，即在纤芯设计过程中，在 部分空气孔内填入高折射率材料而构成新型光纤结构（实际光纤制作中，可用高 折射率介质棒代替空心棒）。此外，再将该光纤作为整体填入一个大尺寸的空气孔 中，从而实现太赫兹波导引PCF的纤芯。通过在截面中引入材料折射率分布的变 化，可在光纤几何结构参数变化的基础上，进一步灵活调整PCF的传输特性，最 终可以实现光波段和太赫兹波段信号的同时可靠传输。