基于嵌套三角形包層結(jié)構(gòu)負(fù)曲率太赫茲光纖的研究*

孟淼 嚴(yán)德賢? 李九生 孫帥

1) (中國計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院, 浙江省電磁波信息技術(shù)與計(jì)量檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018)

2) (中國計(jì)量大學(xué)太赫茲研究所, 杭州 310018)

3) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院, 天津 300072)

1 引 言

隨著越來越多的研究者對于太赫茲的獨(dú)特性和未來應(yīng)用潛力的關(guān)注和研究, 太赫茲技術(shù)得到了快速發(fā)展. 近些年來, 在太赫茲源[1?2]、濾波器[3?4]、偏振器[5]、調(diào)制器[6]、開關(guān)[7]、超表面[8]以及光纖波導(dǎo)[2]等方面進(jìn)行了深入研究. 在微結(jié)構(gòu)太赫茲光纖的研究中, 各種各樣微結(jié)構(gòu)太赫茲光纖也已經(jīng)被提出, 如目前空芯光纖、微結(jié)構(gòu)纖芯光子晶體光纖[9]已經(jīng)吸引了許多學(xué)者的關(guān)注. 與具有實(shí)芯或多孔芯的光纖不同, 空芯光纖允許太赫茲波在色散相對較低的空芯區(qū)快速傳播[10].

目前報(bào)道的大多數(shù)太赫茲系統(tǒng)主要采用離散組件, 太赫茲波在自由空間傳播, 這使得系統(tǒng)非常龐大, 難以維護(hù). 緊湊、低成本太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展需要通過光纖或波導(dǎo)等限制性元件來遠(yuǎn)程傳輸太赫茲波, 因此太赫茲光纖的發(fā)展成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[11].

在當(dāng)前的研究中, 空芯光纖可以分為兩類. 第一類是光子帶隙光纖(HC-PBG), 通過光子帶隙效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光波傳導(dǎo). 這類光纖的傳輸帶寬有限. 第二類是反諧振空芯光纖(也稱為抑制耦合空芯光纖),其傳導(dǎo)機(jī)制基于抗共振效應(yīng)和纖芯模與包層模之間抑制耦合的組合[12?13]. 反諧振空芯光纖由單層或多層包層管組成, 與HC-PBG 光纖相比, 這些光纖具有更寬的傳輸帶寬和低光介質(zhì)重疊[14]. 反諧振空芯光纖具有一系列窄帶寬/高損耗諧振區(qū)和寬帶寬/低損耗反諧振區(qū). 在諧振區(qū), 纖芯模式與包層模相位匹配, 傳輸損耗大, 而在反諧振區(qū), 傳導(dǎo)太赫茲的模式被嚴(yán)格限制在空氣芯中. 共振區(qū)和反共振區(qū)的光譜位置和帶寬明顯取決于反共振單元管的厚度[15].

在光纖的研究與制備中, 負(fù)曲率光纖是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一. 負(fù)曲率指纖芯邊界的表面法線方向是與柱坐標(biāo)系的徑向單元矢量方向相反. 在空芯微結(jié)構(gòu)光纖中, 空芯邊界的負(fù)曲率形狀可以大大降低在光纖傳輸?shù)墓鈸p耗[16]. 2013 年, Setti 等[17]制備了包層由一個(gè)圓形排列的電介質(zhì)管組成的負(fù)曲率光纖, 在0.375 THz 和0.828 THz 處分別獲得了較低的 損 耗0.3 dB/cm 以及0.16 dB/cm; 2015 年,Alice 等[18]報(bào)道了由聚合物材料為基底的負(fù)曲率空芯光纖, 纖芯可以約束95%的模態(tài)能量, 傳輸帶寬0.3—0.5 THz; 2020 年, Sultana 等[19]報(bào)道了一款?yuàn)A雜金屬線的負(fù)曲率光纖, 在1 THz 損耗最低為0.0058 dB/m, 但是傳輸帶寬有限. 目前報(bào)道的太赫茲負(fù)曲率光纖主要工作在1 THz 以下, 而光泵浦氣體激光器可以在2.5 THz 頻段輸出高功率的太赫茲波, 在通信以及成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[20?22]. 為此, 研究工作在2.5 THz 頻段的負(fù)曲率太赫茲光纖可以促進(jìn)該波段太赫茲源的應(yīng)用.

本文提出了一種基于嵌套三角形包層結(jié)構(gòu)的新型負(fù)曲率光纖, 通過改變包層管和三角形結(jié)構(gòu)邊的厚度, 研究光纖結(jié)構(gòu)的限制損耗、模場面積、纖芯功率比及色散等傳輸特性. 當(dāng)厚度為90 μm 時(shí), 光纖的限制損耗下降到10–3dB/cm 量級, 在2.36 THz 處限制損耗為0.005 dB/cm, 有效模場面積在2.72 THz 可以達(dá)到1.55 × 10–6m2, 在2.1—2.8 THz 頻段內(nèi)色散曲線平坦, 在此頻段內(nèi)的色散為 –0.19 ps/(THz·cm)<β2<0.19 ps/(THz·cm) ,且纖芯功率比維持在99%左右, 傳輸帶寬更寬. 在此基礎(chǔ)上, 對嵌套三角形結(jié)構(gòu)的邊進(jìn)行了一定程度的彎曲. 結(jié)果表明, 三角形結(jié)構(gòu)的邊處于內(nèi)彎曲的狀態(tài)時(shí), 光纖的限制損耗降低到0.002 dB/cm, 纖芯功率比仍然維持在99%左右. 與目前已經(jīng)報(bào)道出來的太赫茲頻段負(fù)曲率光纖相比, 傳輸帶寬和傳輸效率都有了明顯提高.

2 光纖的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文所提出的負(fù)曲率空芯光纖由六個(gè)嵌套等邊三角形結(jié)構(gòu)的包層管組成, 結(jié)構(gòu)如圖1 所示. 白色區(qū)域代表空氣, 藍(lán)色區(qū)域代表Topas COC 材料,包層管的厚度和嵌套三角形結(jié)構(gòu)的厚度相同用t表示,d0表示包層管的直徑, 纖芯區(qū)域的直徑用d1表示, 外層Topas COC 材料所構(gòu)成的包層直徑和厚度分別用D1和D2表示, 六個(gè)包層管均勻排列在內(nèi)部. 其中d1設(shè)置為1425 μm,D1和D2分別為3625 μm 和287.5 μm. 光纖以Topas COC 為基底材料, 折射率值為1.53, 空氣折射率值為1. 選擇Topas COC 材料作為基底材料的原因是Topas COC 具有一些良好的特性, 這些特性是恒定折射率、低材料損耗、對濕度不敏感和低色散[23], 通過反諧振作用可以將太赫茲波有效束縛在纖芯內(nèi)部.

圖1 嵌套三角形結(jié)構(gòu)負(fù)曲率空芯光纖結(jié)構(gòu)圖Fig. 1. Structure of negative curvature hollow core fiber with nested triangle structure.

使用COMSOL Multiphysics 軟件模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)對光纖傳輸性能的影響[10]. 在包層管和三角形結(jié)構(gòu)厚度不同的情況下研究負(fù)曲率光纖在2.0—2.8 THz 頻段內(nèi)的性能差異.

3 結(jié)果與討論

通過全矢量有限元法在2.0—2.8 THz 頻段內(nèi)對光纖的限制損耗、色散、有效模場面積以及纖芯功率比進(jìn)行了數(shù)值模擬[24]. 當(dāng)太赫茲波在光纖內(nèi)部傳輸時(shí), 部分太赫茲波泄漏到包層結(jié)構(gòu)中, 導(dǎo)致光纖產(chǎn)生限制損耗[25].. 負(fù)曲率光纖限制損耗(單位為dB/cm)可以通過下式得出[26]:

式中, Im(neff)代表模式有效折射率的虛部,l代表輸入的波長. 根據(jù)(1)式可知光纖的限制損耗主要受有效模式折射率的虛部影響, 設(shè)計(jì)的光纖在2.05—2.8 THz 頻率內(nèi)且t為90 μm 時(shí), 限制損耗一直處 于 較 低的水平(10–3dB/cm 量 級),在2.36 THz 處得到了0.005 dB/cm 的限制損耗. 因此當(dāng)太赫茲波在光纖內(nèi)部傳輸時(shí), 太赫茲波可以很好地被束縛在纖芯區(qū)域, 限制損耗的影響得到了有效抑制. 圖2(a)所示是四種不同厚度情況下限制損耗在2.0—2.8 THz 頻段內(nèi)的變化趨勢, 從圖中可以看出當(dāng)厚度從70 μm 到100 μm 逐漸增大時(shí),限制損耗在2.0—2.2 THz 頻段內(nèi)逐漸降低. 所以,當(dāng)保持包層和纖芯直徑不變時(shí), 僅改變包層管和嵌套三角形的厚度, 光纖的限制損耗會(huì)受到影響, 隨著厚度的增大, 光纖限制損耗明顯降低. 而且隨著管厚度的增大, 光纖限制損耗的起伏不同, 這是因?yàn)榘鼘庸芎穸鹊淖兓瘜?dǎo)致負(fù)曲率光纖反諧振中心[27]發(fā)生改變, 從圖中可以看出在厚度為90 μm 時(shí)有較強(qiáng)的反諧振作用使光纖限制損耗得到有效抑制.四種厚度相比較而言, 厚度為90 μm 時(shí)限制損耗在較長的太赫茲頻段內(nèi)一直處于比較低的水平, 更有利于寬頻段太赫茲波在光纖內(nèi)部的傳輸.

波導(dǎo)色散是由光纖自身結(jié)構(gòu)引起, 對于波導(dǎo)色散的分析, 一般只考慮基模情況. 在色散特性的研究與分析中, 可以通過式(2)得到色散參數(shù)[28]:

式(2)中,c表示光在真空中的傳播速度,n表示有效模式折射率的實(shí)部,w= 2πf表示角頻率. 圖2(b)所示為不同厚度下色散系數(shù)隨頻率的變化趨勢, 由圖中可以看出隨著包層管和三角形厚度t的改變,可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頻段的色散平坦趨勢. 當(dāng)厚度為90 μm時(shí), 此光纖在2.0—2.8 THz 頻段內(nèi)色散系數(shù)基本在零刻度上下浮動(dòng), 在2.1—2.8 THz 范圍內(nèi)的色散為 –0.19 ps/(THz·cm)<β2<0.19 ps/(THz·cm) .當(dāng)厚度為70 μm 和80 μm 時(shí), 光纖色散在2.0—2.4 THz 范圍內(nèi)浮動(dòng)較大. 厚度為100 μm 時(shí)在2.0—2.5 THz 范圍內(nèi)色散值處于較低的水平(絕對值介于0.03—0.3 ps/(THz·cm)之間), 但是在2.5—2.8 THz 范圍內(nèi)色散曲線有明顯的變化, 在2.7 THz 達(dá)到了–20 ps/(THz·cm), 2.75 THz 達(dá)到了15 ps/(THz·cm). 結(jié)果表明, 當(dāng)厚度為90 μm 時(shí),所設(shè)計(jì)的光纖能夠獲得較低的色散, 可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的基模穩(wěn)定傳輸. 不同太赫茲頻率下的光纖模場分布如圖3 所示.

圖2 (a)限制損耗; (b)色散特性; (c)有效模場面積; (d)纖芯功率比隨頻率的變化曲線Fig. 2. (a) Confinement loss; (b) dispersion characteristics; (c) effective mode field area; (d)core power ratio versus frequency.

圖3 光纖模場分布 (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz; (d) 2.6 THz; (e) 2.8 THzFig. 3. Fiber mode field distribution. (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz; (d) 2.6 THz; (e) 2.8 THz.

此外, 還討論了光纖的有效模場面積和纖芯功率比. 有效模場面積表征光纖模式傳輸過程中實(shí)際的模場分布大小[25], 纖芯功率比表征傳輸過程中太赫茲波在纖芯中的存量. 這兩個(gè)參數(shù)可以通過(3)式和(4)式得出[26,28?30]:

式(3)中,I(r) = (Et)2表示電場強(qiáng)度, 在這種情況下, 傳播模式保持較大的有效模場面積[24]. 式(4)中Ex,Ey,Hx,Hy表示橫向和縱向電場和磁場的分量[26]. 由圖2(c)可以看出在有效模場面積曲線圖中, 厚度為90 μm 時(shí)的有效模場面積相對于其他三種厚度處于較低水平, 在2.72 THz 達(dá)到峰值1.5 × 10–6m2. 厚度為70 μm 時(shí), 有效模場面積在2.12 THz 達(dá) 到 最 高 值4.98 × 10–6m2. 由 圖2(d)可以發(fā)現(xiàn)厚度為90 μm 時(shí), 在較長的帶寬范圍內(nèi)纖芯功率比可以穩(wěn)定在99%以上, 可以實(shí)現(xiàn)太 赫 茲 波 的 高 效 傳 輸.厚 度 為100 μm 時(shí) 在2.7 THz 達(dá)到最低43%, 在2.0—2.34 THz 范圍內(nèi)可以達(dá)到99%. 纖芯功率比的增長趨勢也可以反映出包層管和嵌套三角形結(jié)構(gòu)的厚度帶來的影響, 值得注意的是當(dāng)厚度為90 μm 和100 μm 時(shí), 在部分太赫茲頻段內(nèi)兩種參數(shù)不同的光纖有著相近的傳輸能力. 在2.64—2.8 THz 頻段內(nèi), 厚度為100 μm時(shí)限制損耗增大, 纖芯功率比下降, 這表明纖芯基模和包層模發(fā)生強(qiáng)烈的模式耦合, 從而破壞了反諧振區(qū)域的形成[27].

綜合上述分析, 嵌套三角形結(jié)構(gòu)的負(fù)曲率光纖在四種厚度的情況下都會(huì)有相應(yīng)的帶寬可以實(shí)現(xiàn)模式的穩(wěn)定傳輸, 但相比較而言厚度為90 μm 的情況最為理想, 減少了能量衰減.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了獲得一個(gè)更好的傳輸效果, 對設(shè)計(jì)的負(fù)曲率光纖進(jìn)行了改進(jìn), 將三角形結(jié)構(gòu)的邊進(jìn)行了一定程度的彎曲, 并且從向外彎曲和向內(nèi)彎曲來分析光纖的傳輸特性. 由于所設(shè)計(jì)光纖嵌套包層結(jié)構(gòu)空氣層厚度并沒有遠(yuǎn)小于芯區(qū)寬度, 所以不能忽略空氣層的反諧振作用. 三角形邊在不同彎曲狀態(tài)時(shí)空氣層厚度的變化會(huì)影響光纖對限制損耗的抑制, 理論上空氣層厚度在一定范圍內(nèi)可以降低限制損耗[27].

4.1 三角形結(jié)構(gòu)邊外彎曲

三角形結(jié)構(gòu)邊處于外彎曲的狀態(tài)時(shí), 截取不同圓的特定弧長作為三角形結(jié)構(gòu)的彎曲邊, 保持包層管和嵌套三角形的厚度t仍然為90 μm, 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不做變化. 圖4 所示即為三角形邊進(jìn)行一定程度彎曲后的光纖結(jié)構(gòu)圖, 選取半徑為797 μm、1003 μm、1436 μm 的圓的特定弧長作為三角形結(jié)構(gòu)的彎曲邊.

圖4 外彎曲負(fù)曲率光纖結(jié)構(gòu)圖Fig. 4. Structure diagram of external bending negative curvature fiber.

研究分析外彎曲負(fù)曲率光纖在2.0—2.8 THz的傳輸性能. 在外彎曲的狀態(tài)下, 研究結(jié)果表明,當(dāng)選取半徑為1003 μm 圓的弧長作為三角形外彎曲邊時(shí), 太赫茲波在光纖內(nèi)部的傳輸保持在較好的水平. 圖5 所示即為外彎曲負(fù)曲率光纖各項(xiàng)性能隨頻率變化的曲線圖. 圖6 是半徑為1003 μm 時(shí), 光纖在不同太赫茲頻率處的模場分布情況.

如圖5(a)所示, 可以看到限制損耗曲線在2.0—2.18 THz 范圍內(nèi), 半徑所取越大則限制損耗越低. 半徑為1003 μm 時(shí), 光纖在2.18—2.8 THz限制損耗變化幅度較小, 相比較三角形的直邊情況, 半徑為1003 μm 時(shí)限制損耗在2.22 THz 降到了0.0024 dB/cm, 并在多個(gè)太赫茲頻率處的限制損耗低至0.003 dB/cm, 比直邊最低0.005 dB/cm的限制損耗下降了40%左右. 表明光纖結(jié)構(gòu)的改變在一定程度上增強(qiáng)了反諧振作用, 促進(jìn)了光纖對限制損耗的有效抑制. 從圖5(a)也可以看出限制損耗存在振蕩特性, 這是由于基模泄露的能量被包層反射后和基模繼續(xù)耦合所致[30], 因此包層管內(nèi)空氣孔的變化對于振蕩峰的產(chǎn)生起到了一定作用.

從圖5(b)可以觀察到色散系數(shù)在不同彎曲程度作用下的變化趨勢, 半徑為1003 μm 時(shí)色散系數(shù)在零刻度線上下浮動(dòng)范圍較小, 在2.04—2.78 THz頻率值內(nèi)浮動(dòng)范圍是–0.19 ps/(THz·cm) < b2<0.19 ps/(THz·cm). 由圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)隨著半徑的增大, 有效模場面積也隨之增大, 當(dāng)光纖的有效模場面積較小時(shí)將會(huì)激發(fā)一系列非線性效應(yīng), 阻礙太赫茲波在光纖中的傳輸[25]. 所以在半徑為1003 μm時(shí), 較大的模場面積可以提高傳輸效率. 根據(jù)圖5(d)中的纖芯功率比變化趨勢, 半徑為1003 μm 時(shí)要優(yōu)于其他兩種情況. 綜合上述分析, 選取半徑為1003 μm 圓的弧長作為三角形的彎曲邊有利于太赫茲波在光纖內(nèi)部的傳輸.

圖5 (a)限制損耗; (b)色散特性; (c)有效模場面積; (d)纖芯功率比隨頻率的變化曲線Fig. 5. (a)confinement loss; (b) dispersion characteristics; (c) effective mode field area; (d) power ratio curve with frequency.

圖6 外彎曲光纖模場在不同頻率時(shí)的分布 (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz; (d) 2.6 THz; (e) 2.8 THzFig. 6. The distribution of mode field of external bending fiber at different frequencies. (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz; (d)2.6 THz; (e) 2.8 THz.

4.2 三角形結(jié)構(gòu)邊內(nèi)彎曲

三角形邊向內(nèi)彎曲增加了包層管內(nèi)部的反射弧面和空氣層厚度, 在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上通過分析三組數(shù)據(jù)研究以上性能, 對比發(fā)現(xiàn)在計(jì)算不同參數(shù)時(shí), 半徑為1003 μm 時(shí)可以同時(shí)獲得較高的纖芯功率比和較低的限制損耗. 如圖7 所示是內(nèi)彎曲光纖結(jié)構(gòu)圖.

在分析內(nèi)彎曲負(fù)曲率光纖相關(guān)性能時(shí), 選取半徑為797 μm、1003 μm、1436 μm 的圓的特定弧長作為三角形結(jié)構(gòu)的彎曲邊. 圖8(a)、圖8 (b)、圖8 (c)、圖8 (d)是內(nèi)彎曲負(fù)曲率光纖的限制損耗、色散、有效模場面積、纖芯功率比隨頻率的變化趨勢. 圖9 是半徑為1003 μm 圓的弧長作為彎曲邊時(shí)在不同太赫茲頻率處的模場分布情況.

由圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)選取半徑為797 μm 和1003 μm 圓的弧長作為彎曲邊時(shí), 限制損耗在特定太赫茲頻段變化幅度明顯, 并且出現(xiàn)周期性的變化以及狹長的諧振峰. 包層管內(nèi)三角形邊在向內(nèi)彎曲時(shí)反射弧面的增加是諧振峰形成的主要機(jī)制, 由于包層的反共振原理[31]使光纖內(nèi)反諧振區(qū)域的形成出現(xiàn)周期性的變化, 在特定太赫茲頻段阻礙反諧振區(qū)域的形成, 使纖芯束縛太赫茲波的能力減弱, 從而導(dǎo)致一部分能量被包層所吸收.

圖7 內(nèi)彎曲負(fù)曲率光纖結(jié)構(gòu)圖Fig. 7. Internal bending negative curvature fiber structure diagram.

圖8 (a)限制損耗; (b)色散特性; (c)有效模場面積; (d)纖芯功率比隨頻率的變化曲線Fig. 8. (a)confinement loss; (b) dispersion characteristics; (c) effective mode field area; (d) power ratio curve with frequency.

圖9 內(nèi)彎曲光纖模場在不同頻率時(shí)的分布 (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz; (d) 2.6 THz; (e) 2.8 THzFig. 9. The distribution of mode field of internal bending fiber at different frequencies. (a) 2.0 THz; (b) 2.2 THz; (c) 2.4 THz;(d) 2.6 THz; (e) 2.8 THz.

表1 設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)的性能對比Table 1. Performance comparison between the designed optical fiber structure and other structures.

半徑為797 μm 時(shí), 光纖的限制損耗在2.62 THz、2.64 THz 可以達(dá)到最低0.001 dB/cm,在2.04 THz 達(dá)到最高0.11 dB/cm. 半徑為1003 μm時(shí), 限制損耗在2.36 THz 達(dá)到最低0.002 dB/cm,比直邊時(shí)的最低0.005 dB/cm 下降了60%, 并在2.46—2.6 THz 內(nèi)限制性損耗維持在0.004 dB/cm左右, 光纖的限制損耗特性相比較外彎曲的情況得到了有效優(yōu)化. 半徑為1436 μm 時(shí), 光纖的限制損耗特性變化平緩, 然而在2.1—2.26 THz、2.4—2.66 THz 范圍內(nèi)均要高于其他兩種情況.

如圖8(b)所示, 當(dāng)三角形邊向內(nèi)彎曲時(shí), 三種半徑情況下的光纖色散特性與三角形外彎曲邊相比出現(xiàn)了不同程度的增長, 但半徑為1003 μm 時(shí),光纖在2.26-2.38 THz 頻段內(nèi)–0.02 ps/(THz·cm)< b2< 0.20 ps/(THz·cm), 仍然具有良好的色散特性. 如圖8(c)所示, 可以看出截取半徑為1003 μm的圓的弧長作為三角形結(jié)構(gòu)的彎曲邊時(shí)模場面積并不理想, 在2.6 THz 取得峰值1.08 × 10–6m2,這是由于空氣孔的變化, 空氣層厚度的增加使得芯模與管模兩個(gè)區(qū)域不重疊度升高[27], 所以模式耦合時(shí)太赫茲波可以被有效束縛在纖芯區(qū)域中, 限制損耗也相應(yīng)降低. 綜合圖8(d)纖芯功率比曲線可以發(fā)現(xiàn)半徑為1003 μm 時(shí), 光纖在2.22—2.48 THz范圍內(nèi)纖芯功率比穩(wěn)定在99%以上, 纖芯區(qū)域可以高效傳輸太赫茲波. 綜合上述分析, 選擇截取半徑為1003 μm 圓的弧長作為三角形的彎曲邊時(shí),此光纖有最佳傳輸性能.

對比分析負(fù)曲率光纖嵌套三角形的三種結(jié)構(gòu),結(jié)果表明三角形邊彎曲時(shí)的傳輸性能優(yōu)于直邊的情況, 且三角形邊在向內(nèi)彎曲時(shí)比向外彎曲有更好的傳輸效果. 這是因?yàn)樵诤穸炔蛔兊那闆r下, 彎曲狀態(tài)下的曲率變化[32]導(dǎo)致三角形邊長增大, 反射面積得到了有效增長, 且內(nèi)彎曲狀態(tài)下形成的反射面比外彎曲更有利于光纖對太赫茲波在光纖內(nèi)部的抑制耦合作用.

為了進(jìn)一步說明本文所設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性, 將所設(shè)計(jì)光纖的參數(shù)與已報(bào)道的文獻(xiàn)進(jìn)行了對比, 結(jié)果如表1 所示. 對比結(jié)果表明, 本文所設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)在較高太赫茲頻率處的參數(shù)優(yōu)于已經(jīng)報(bào)到的光纖結(jié)構(gòu), 在基于光泵浦氣體太赫茲激光器系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用潛力.

5 總 結(jié)

設(shè)計(jì)了嵌套三角形包層結(jié)構(gòu)的新型負(fù)曲率光纖, 在對三角形結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用全矢量有限元法對此負(fù)曲率光纖在2.0—2.8 THz 頻段進(jìn)行數(shù)值模擬, 深入分析了光纖的各個(gè)傳輸特性, 光纖在此頻段內(nèi)限制損耗、色散特性、有效模場面積以及纖芯功率比均體現(xiàn)出良好的性能. 結(jié)果表明三角形結(jié)構(gòu)厚度為90 μm 時(shí), 有低損耗、寬帶寬的傳輸特性, 限制損耗在2.36 THz 達(dá)到0.005 dB/cm,有2.1—2.8 THz 的傳輸帶寬, 同時(shí)在此頻段內(nèi)有較低的色散系數(shù)(± 0.19 ps/(THz·cm)), 纖芯功率比也穩(wěn)定在99%以上.

在對負(fù)曲率光纖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后, 發(fā)現(xiàn)三角形邊在向內(nèi)彎曲時(shí)比向外彎曲有更好的傳輸性能.特別當(dāng)截取半徑為1003 μm 圓的特定弧長作為彎曲邊時(shí), 限制損耗在2.36 THz 達(dá)到了0.002 dB/cm,并在2.46—2.6 THz 范圍內(nèi)限制損耗維持在0.004 dB/cm 左右, 在此區(qū)間內(nèi)纖芯功率比也穩(wěn)定在99%以上. 負(fù)曲率光纖的各項(xiàng)性能分析需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在未來的研究工作中將通過3D 打印技術(shù)獲取此光纖實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究. 嵌套三角形包層結(jié)構(gòu)的負(fù)曲率光纖將會(huì)因低限制損耗、寬傳輸帶寬在傳感器以及成像儀[18]等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值.