專利名稱：一種實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種特殊光纖，特別是涉及一種能實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖。
背景技術(shù)：
頻率范圍在約0.1～10THz(波長約3000μm～30μm)的太赫茲(THz)波是一個重要的頻段，也是電磁波譜中需要開發(fā)的最后一個頻段。長期以來，因缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，一直處于微波與遠紅外之間的空隙狀態(tài)。由于THz波的一系列特點及其在光譜、成像、醫(yī)療診斷、通信與雷達、天體以及基本物理研究等方面具有重要應用價值，引起了世界各國的重視；并于2005年3月14日至16日在美國佛羅里達州召開了光學THz科學和技術(shù)專題會議。因此，這些年來，在THz輻射的產(chǎn)生、檢測和應用方面，取得了許多重要進展。然而，由于在這個波段缺乏低損耗波導、光纖和透明材料，目前大部分THz系統(tǒng)主要還是靠自由空間傳播。因為THz波段的波長要比微波的波長短得多、要比光波的波長長得多，所以適合微波傳導的一些金屬、以及適合光波傳導的一些介質(zhì)(如石英)用來構(gòu)成THz波的波導時，都有很高的損耗。在THz波段，材料的吸收損耗大約104～106dB/km。甚至連THz波無源器件中最常用的低損耗材料(高阻硅)，它的吸收系數(shù)也達0.04cm-1(1cm-1＝4.343dB/cm， 因此它相當于1.74×104dB/km)。過去，除利用Cu、黃銅和不銹鋼等金屬做成各種形狀的THz波導外，也用一些介質(zhì)(如藍寶石、塑料)制作了THz波導。報道過高折射率芯(實芯)光子晶體塑料光纖，用高密度聚乙烯[Appl.Phys.Lett.Vol.80，No.15，PP.2634～2636，2002]和聚四氟乙烯[Jpn.J.Appl.Phys.Vol.43(No.2B)，PP.L317～319，2004]制作的光子晶體光纖，其損耗系數(shù)分別達到小于0.5cm-1(0.1～3THz)和大約0.12cm-1。還報道過一種內(nèi)壁涂有Cu的空芯聚碳酸酯波導[Opt.Express，Vol.12，No.21，PP.5263～5268，2004]，對3mm芯直徑光纖在158.51μm波長處獲得了最低的損耗，其損耗為3.9dB/m。最近，報道了一種傳導THz波的、類似于光纖的亞波長直徑(200μm)塑料(聚乙烯)線[Opt.Lett.Vol.31，No.3，PP.308～310，2006]，在靠近0.3THz頻率范圍內(nèi)，損耗系數(shù)降為小于0.01cm-1?？傊墨I已報道的傳輸THz頻段的各種光纖，其損耗最低也達到或超過3900dB/km，根本無法實現(xiàn)較長距離的傳輸。
本專利申請的發(fā)明人于2005年3月25日向中國國家知識產(chǎn)權(quán)局提出了名稱為“蜘蛛網(wǎng)狀空芯光纖”(專利申請?zhí)?00510060031.7)的專利申請，并于2006年4月19日公開。這種蜘蛛網(wǎng)狀空芯光纖由纖芯區(qū)(I)、包層(II)和外包層(III)組成，其特征是纖芯區(qū)(I)為空氣，包層(II)為若干同心圓的單一材料和空氣交替層以及由截面上對稱分布若干支撐條構(gòu)成的蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，支撐條的數(shù)量m＝6～12，支撐條的寬度Ws＝λ/3～λ/30(λ為光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL)。這種結(jié)構(gòu)可大幅度降低光纖的傳輸損耗，增加可實現(xiàn)性，擴展可制作光纖的品種和可傳輸?shù)墓庾V范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖，這種光纖的損耗遠低于現(xiàn)有文獻報道的光纖結(jié)構(gòu)設計，使其進入可實際應用的水平。
本發(fā)明的技術(shù)方案是為實現(xiàn)波長范圍在30μm～3mm的THz波傳輸，該光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍是光纖芯半徑(r0)＝10mm～30mm，高折射率層厚度(d2)＝0.1λ～0.4λ(λ為光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL)，空氣層厚度(d1)＝4d2～20d2，Λ＝d1+d2＝0.5λ～8.4λ，高折射率(n2)＝1.3～1.8，低折射率(n1)＝1(空氣)，N(包層中交替層的數(shù)目)＝3～4。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步加以說明。
圖1是實現(xiàn)太赫茲波傳輸光纖的結(jié)構(gòu)圖；圖2是實現(xiàn)太赫茲波傳輸光纖的折射率分布圖。
在圖1和圖2中，n1＝1(空氣)，n2為介質(zhì)材料的折射率，d1為空氣層的厚度，d2為介質(zhì)層的厚度，r0為空芯半徑，Λ＝d1+d2為每個交替層的厚度。
具體實施例方式
實施例1在本實施例中，要實現(xiàn)如圖1所示結(jié)構(gòu)的太赫茲頻段傳輸波長較短的光纖，結(jié)構(gòu)參數(shù)為r0＝10mm，n2＝1.52(高密度聚乙烯)，n1＝1，d2＝25μm，d1＝500μm，N＝3。按照高密度聚乙烯在太赫茲頻段的吸收譜[Chem.Phys.Lett.，Vol.10，No.4，PP.473～477，1971]，蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)包層光纖中TE01模的傳輸損耗(結(jié)構(gòu)束縛損耗加上材料吸收損耗)如表1所示。從表1可以看出在70μm～200μm波長范圍內(nèi)，都在4.1dB/km以下，而TE01模在90μm的傳輸損耗低達0.463dB/km。
表1.r0＝10mm，n2＝1.52，n1＝1，d2＝25μm，d1＝500μm，N＝3

實施例2在本實施例中，要實現(xiàn)如圖1所示結(jié)構(gòu)的太赫茲頻段傳輸波長較長的光纖，結(jié)構(gòu)參數(shù)為r0＝20mm，n2＝1.52(高密度聚乙烯)，n1＝1，d2＝150μm，d1＝2250μm，N＝3。TE01模的傳輸損耗如表2所示。從表2可以看出在400μm～1100μm波長范圍內(nèi)，都在4.5dB/km以下，而TE01模在550μm的傳輸損耗低達1.071dB/km。
表2.r0＝20mm，n2＝1.52，n1＝1，d2＝150μm，d1＝2250μm，N＝3

實施例3在本實施例中，要實現(xiàn)如圖1所示結(jié)構(gòu)的太赫茲頻段傳輸波長居中間的光纖，結(jié)構(gòu)參數(shù)為r0＝14mm，n2＝1.52(高密度聚乙烯)，n1＝1，d2＝70μm，d1＝1050μm，N＝3。TE01模的傳輸損耗如表3所示。從表3可以看出在200μm～550μm波長范圍內(nèi)，都在4.5dB/km以下，而TE01模在280μm的傳輸損耗低達1.262dB/km。
表3.r0＝14mm，n2＝1.52，n1＝1，d2＝70μm，d1＝1050μm，N＝3

從以上三個實施例可以看出，TE01模的傳輸損耗比文獻降低了三個數(shù)量級，并且每種光纖的傳輸波長范圍都超過了一個倍頻程，可實現(xiàn)波分復用。
制造本發(fā)明的太赫茲波傳輸光纖，可利用現(xiàn)成的一些設備和工藝，如目前已有的兩步法先用各種方法做成預制棒，然后再拉成所需直徑的光纖；也可用本申請同一申請人的專利申請03108794.9中的連續(xù)制造方法(一步法)。這種光纖結(jié)構(gòu)可以采用吸收損耗較低的塑料作為基質(zhì)材料，如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚四氟乙烯(teflon)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)、聚丙烯等非極性聚合物。
根據(jù)本發(fā)明的上述基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)，本領域有經(jīng)驗的人員還可對此作出各種變換和修改，但這種變換和修改均屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)太赫茲波的低損耗傳輸光纖，其纖芯區(qū)(I)為空氣、包層(II)為若干同心圓的單一材料和空氣交替層以及由截面上對稱分布若干支撐條構(gòu)成的蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，支撐條的數(shù)量m＝6～12，支撐條寬度Ws＝λ/3～λ/30，其特征是為實現(xiàn)波長范圍在30μm～3mm的THz波傳輸，該光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍是光纖芯半徑r0＝10mm～30mm；高折射率層厚度d2＝0.1λ～0.4λ；空氣層厚度d1＝4d2～20d2；∧＝d1+d2＝0.5λ～8.4λ；高折射率n2＝1.3～1.8；低折射率n1＝1(空氣)；包層中交替層的數(shù)目N＝3～4。其中λ——為光纖傳輸?shù)墓獠ㄩL。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種特殊光纖，特別是涉及一種能實現(xiàn)太赫茲波的低損耗光纖。其特征是為實現(xiàn)波長范圍在30μm～3mm的THz波傳輸，該光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍是光纖芯半徑r
文檔編號G02B6/02GK1963574SQ20061010221
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者于榮金, 張冰 申請人:燕山大學