PDF《环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造》

第12 卷第1期太赫兹科学与电子信息学报 Vo1.

12, No.

1 2014 年2月Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb. ,

2014 文章编号:2095-4980(2014)01-0028-04 环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造 何晓阳 1a,1b ,陈琦1a,1b ,张屹遐 1a ,孔德鹏

2 (1.中国工程物理研究院 a.电子工程研究所;

b.太赫兹研究中心,四川 绵阳 621999;

2.中国科学院 西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710119) 摘要:为降低传输损耗,在太赫兹波段采用具有低吸收损耗的环烯烃共聚物作为基质材料, 设计了一种太赫兹光子晶体光纤.通过全矢量有限元法模拟仿真,对光子晶体光纤的损耗和频率 的关系进行了分析计算.结果表明,这种光纤在太赫兹频段具有良好的传输特性,大大优于传统 的金属波导,且该类型光纤还具备良好的弯曲性能,在太赫兹频段具有重要应用价值. 关键词:光子晶体;

太赫兹;

光纤 中图分类号:TN818 文献标识码:A doi:10.11805/TKYDA201401.0028 Design and fabrication of cyclic-olefin copolymer based terahertz photonic crystal fiber HE Xiao-yang 1a,1b ,CHEN Qi 1a,1b ,ZHANG Yi-xia 1a ,KONG De-peng

2 (1a.Institute of Electronic Engineering;

1b.Terahertz Research Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621999, China;

2.Xi'

an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi'

an Shaanxi 710119,China) Abstract:A terahertz Photonic Crystal Fiber(PCF) made of Cyclic-Olefin Copolymer(COC) with low absorption loss in terahertz band is designed to reduce the transmission loss. By full vector finite element method, the loss of terahertz PCF versus frequency is simulated and analyzed. Results show that the proposed fibers have much better transmission properties than metallic waveguides in terahertz band. Along with the fine flexibility to bend, they are of great importance in terahertz applications. Key words:photonic crystal;

terahertz;

fiber 在太赫兹技术研究中,太赫兹源无疑是研究的重点,稳定的、高效的辐射源是太赫兹技术全面发展的关键. 近年来,由于超快激光技术、微电真空器件、固态振荡器、量子级联激光器和自由电子激光器的迅速发展,太赫 兹辐射源越来越接近实际应用.与此同时,开展太赫兹信号处理、传输、辐射等关键技术的研究开始变得迫切起 来,太赫兹传输、辐射技术的研究将为今后太赫兹雷达系统、通信系统、成像系统的建立提供相关的技术支撑[1] . 光子晶体光纤(PCF)[2-5] 由晶格常数为波长量级的二维光子晶体构成, 光纤的核心由一个破坏了包层结构周期性的 缺陷构成.对于纤芯为空气孔型缺陷的情况,通过包层的二维光子晶体的布拉格衍射,一定波长的电磁波被陷获 在作为纤芯的空气孔中,其机制不同于传统的全内反射光纤.太赫兹波极易 被介质材料吸收,对于太赫兹波的传输来说,限制其传输损耗的一个关键因 素是材料对太赫兹波的本征吸收.越来越多的研究表明,高密度聚乙烯、特 氟龙等聚合物材料制备的光子晶体光纤在太赫兹波段有着极低的传输损耗[6-8] . 本文采用全矢量有限元法,仿真设计一种太赫兹光子晶体光纤,并采用环烯 烃共聚物[9] (COC)材料制备光纤样品.

1 设计与仿真 设计的光子晶体光纤横截面见图 1,该光纤材料设计为环烯烃共聚物,相 关结构参数为: d=0.14 mm, Λ=0.2 mm, D=0.37 mm, Dcore=1.98 mm, Dout=4 mm. 采用 COMSOL 软件对设计的光纤进行仿真计算,不同频率时光纤内主模 收稿日期:2013-08-30;

修回日期:2013-10-17 Fig.1 Cross-section of PCF 图1光子晶体光纤横截面示意图 Dcore Dout D d Λ 第1期何晓阳等: 环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造

29 的场分布情况见图 2,从图中可以看出,随着传输频率的增大,主模模场 向太赫兹光子晶体光纤中心收缩, 但同时在光纤上传输的主模模场能量随 之增大. 图3反映了主模有效折射率随传输频率的变化情况.由图可知,随 着传输频率的增大, 主模有效折射率的实部随之增大, 而其虚部随之减小. 光子晶体光纤的损耗主要由有效模式损耗和限制损耗

2 部分组成. 其中,有效模式损耗是由材料吸收引起的,限制损耗是由有限包层所导致 的模式泄漏带来的. 在空气中传输的模场能量分数将决定该光子晶体光纤有效模式损耗 的大小.图4反映了空气孔中传输的模场能量分数随传输频率的变化情 况.由图

4 可知,随着传输频率的增大,在空气孔中传输的模场能量分数 先增大后减小,并在 f=0.7 THz 左右达到最大,约为 60.4%.此时有效模 式损耗随传输频率的变化情况如图

5 所示.由图

5 可知,有效模式损耗随传输频率的增大近似线性增大. 限制损耗主要由主模有效折射率虚部的大小决定,如图

5 所示,当传输频率小于 0.8 THz 时,限制损耗随着传输频率的增大而 急剧减小(从0.3 THz 时的 2.38 cm-1 减小到 0.8 THz 时的 0.05 cm-1 );

当传输频率大于 0.8 THz 时,限制损耗维持在 0.05 cm-1 量级. 将预制棒拉制成不同直径的太赫兹光子晶体光纤时, 其结构参 数随之发生等比变化,其传输特性,特别是损耗特性,也会有所不 同.为了研究光纤外径对损耗特性的影响,在传输的太赫兹辐射频 率为 0.6 THz 时,计算了不同外径大小情况下的限制损耗和有效模 式损耗,结果见图 6. 由图可知,光子晶体光纤外径的大小,对有效模式损耗影响不 大(维持在 0.07 cm-1 左右),而对其限制损耗的影响明显.这是由于随着太赫兹光子晶体光纤外径的变化,其相关 尺寸是等比变化的,即纤芯孔洞直径与孔间距之比 d/Λ 是固定不变的.对于特定频率,纤芯孔洞直径不同的光子 晶体光纤,其对主模的束缚能力是不同的,这就导致了外径的大小对限制损耗的影响明显.同时,当光纤外径为

4 mm 时,限制损耗达到最小,约为 0.016 cm-1 . 该光子晶体光纤的总传输损耗见图 7,在0.6 THz 时损耗最小,约为 0.72 dB/m,图8为0.6 THz 时光子晶体 光纤中主模的场分布. Fig.2 Fields distribution of fundamental mode at different frequencies 图2不同频率时主模的场分布 f=1.4 THz f=1.1 THz f=0.5 THz f=0.8 THz Fig.7 Simulation result of transmission loss of PCF 图7光子晶体光纤的传输损耗 transmission loss/(dB・m -1 )

100 10

1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 f/THz Fig.4 Mode field energy ratio vs transmission frequency 图4模场能量分数随传输频率的变化 0.62 0.60 0.58 0.56 0.54 0.52 0.50 0.48 power fraction 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 f/THz (0.7,0.604) Fig.3 Fundamental mode effective refractive index vs frequency 图3主模有效折射率随频率的变化 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 0.020 0.015 0.010 0.005

0 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 f/THz Re(neff) Im(neff) Re(neff) Im(neff) Fig.5 Effective mode loss and confinement loss vs transmission frequency 图5有效模式损耗与限制损耗随传输频率的变化 confinement loss/cm -1 effective mode loss/cm -1 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05

0 3

2 1

0 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 f/THz effective mode loss confinement loss Fig.6 Influence of PCF outer diameters on transmission loss at 0.6 THz 图60.6 THz 时光子晶体光纤外径对传输损耗的影响 loss/cm -1 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 D/mm confinement loss mode loss

30 太赫兹科学与电子信息学报 第12 卷2光纤的制造 把已经设计好的微结构光纤端面放大

10 倍,得到 预制棒的外径尺寸为

4 cm. 据此结构设计制造光纤预制 棒的模具.在模具中通过挤出成型法制造预制棒,最后 经过热拉伸,得到各种直径的光纤样品. 目前,国际上报道最多的预制棒制作方法是毛细管 堆积法,这种方法制备的微结构石英光纤已得到广泛应 用.利用此方法制造聚合物微结构光纤的报道虽然有, 但是得到实用化的微结构聚合物光纤是采用实心棒钻 孔法.因为塑料毛细管堆积成的预制棒在拉丝过程中, 高分子链的直线运动占优势,而高分子链间的相互作用 力比较弱,所以不能得到微结构非常均匀的高品质光 纤.对实芯聚合物棒体进行精密钻孔,洞内壁抛光,得到的预制棒长度在

12 cm 左右,对于结构较复杂的预制棒, 加工难度太大,能耗高,不能实现性价比高的产品[10-11] . 本文采用热挤出成型法制造光纤预制棒.首先将 COC 颗粒料放进挤出机干........