高双折射太赫兹光子晶体光纤的研究进展北大核心CSCD

随着太赫兹技术的不断发展,太赫兹波导逐渐成为研究热点之一。相比于太赫兹聚合物波导,太赫兹光子晶体光纤(PCF)在高双折射方面具有明显优势。在介绍传统太赫兹波导技术研究现状的基础上,重点分析和总结了基于不同原理和不同结构的高双折射太赫兹PCF,对其优缺点进行了对比,并对高双折射太赫兹PCF的应用现状及后续的工作方向进行了总结和展望。     

高双折射低损耗条形纤芯光子晶体光纤设计

目前新型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)在太赫兹波段(Terahertz, THz)内的研究不断深入，在满足高性能的同时也要保证较低的损耗，才能应用得更加广泛。针对0.9～1.4太赫兹波段，提出了一种具有高双折射、低色散、低损耗的光子晶体光纤，通过在纤芯包层中引入条形空气孔，形成不对称结构，提高特性，在0.9 THz～1.4 THz波段内进行特性研究。仿真结果显示，在1 THz时可达到0.076的双折射特性，同时最低可达到0.027 ps/(THz·cm)的近零平坦色散，限制损耗在1 THz时为10^-9 dB/m数量级，有效模场面积为10^-4 m²数量级。     

2~5 THz宽频段多孔纤芯高双折射太赫兹光子晶体光纤

提出了一种以Topas环烯烃共聚物为基底,采用级联六边形单元多孔纤芯结构的宽频带高双折射太赫兹光子近10~(-1))的超高双折射,10~(-12)dB/cm的超低限制损耗,以及小于1 cm~(-1)的有效材料吸收损耗。此外,所提出的结构在2.25～5 THz的频带内表现出±0.2 ps/THz/cm的近零平坦色散。该光纤所实现的双折射值不仅是迄今已知太赫兹聚合物光纤中最高的,而且其新颖的多孔纤芯结构设计有效降低了太赫兹波的传输损耗。同时,光纤结构均采用圆形空气孔,便于工程制备,该工作对今后太赫兹光子晶体光纤的发展具有一定的参考价值。     

一种用于压力传感的光子晶体光纤的研究

文章提出了一种新型结构的用于压力传感的高双折射光子晶体光纤(PCF).在外界横向压力作用下,PCF两个偏振态的有效折射率发生改变,PCF的双折射随之变化,通过测量双折射改变引起的偏振态变化,可实现PCF的压力传感.仿真结果表明,高双折射PCF受到横向压力后,双折射线性变化显著,达到0.7×10<'-5>/MPa.     

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。     

高非线性高双折射光子晶体光纤特性的理论研究

基于全矢量有限元法,设计了一种新型零色散波长为1550 nm的高非线性双折射光子晶体光纤(PCF),并分析了PCF的有效折射率、有效模面积、双折射、非线性系数以及色散特性。数值结果表明,当光纤包层孔间距Λ为1.6 μm,大空气孔直径d1为1.4 μm,小空气孔直径d2为0.74 μm和0.76 μm时,光纤的零色散波长都在1550 nm处,该PCF的双折射为4.049×10-3,非线性系数可达28.4 km-1·W-1。这种高非线性高双折射PCF,在1550 nm通信波段具有非常广泛的应用前景。     

椭圆芯扁六角聚合物光子晶体光纤的偏振特性

采用全矢量定域基函数模型,以聚合物PMMA为基材,研究了椭圆芯三角点阵扁六角结构光子晶体光纤(Photonic crystal fibers,PCFs)的偏振特性,分析了其相位模双折射和群模双折射与相对孔间隔比的依赖关系,并与椭圆芯三角点阵正六角结构PCFs的研究结论进行比较;研究发现,椭圆芯扁六角结构PCF的偏振特性强烈的依赖于光纤的结构参数,由于色度色散的存在,在短波长段,群双折射远远高于相位模双折射,通过适当调节光纤的相对孔径和相对孔间隔比,有望在给定波长实现高双折射和零偏振模色散单模运行.该研究为高双折射聚合物光子晶体保偏光纤的制备提供了理论依据.     

高双折射双芯光子晶体光纤特性

提出一种新型的高双折射双芯光子晶体光纤(PCF)模型,通过将最内层8个空气孔替换为4个椭圆空气孔来增大光纤的结构不对称性;通过改变两纤芯间的空气孔大小、椭圆空气孔的椭圆度以及孔间距来分析光子晶体光纤的双折射度、耦合长度以及色散特性。结果表明,双芯光子晶体光纤的模式双折射度达到10-2量级,耦合长度达0.1367 mm,在1.0~1.6 μm波长范围内具有超平坦色散特性。     

一种近红外波段的高双折射高非线性光子晶体光纤

提出了一种具有中心缺陷孔的新型非对称椭圆光子晶体光纤,采用全矢量有限元法研究了其双折射、色散和非线性等特性。通过改变第一层椭圆孔的角度,加强了结构的双折射性能,同时还能改善结构的色散表现。分析计算结果得出,设计合适的结构参数可在波长1.55μm处获得3.05×10~(-2)的高双折射,同时在X和Y偏振方向获得较高非线性系数。此外,在保持高双折射的同时,此PCF也可获得1 000~1 550 nm近550 nm的负色散平坦区。该新型近红外波段的高双折射高非线性负平坦色散的光子晶体光纤在偏振控制、非线性光学及光纤通信等领域具有广泛的应用前景。     

高双折射全内反射光子晶体光纤的特性研究

文章应用全矢量有效折射率方法(FVEIM)对芯区具有两个椭圆小空气孔的全内反射光子晶体光纤(TIR-PCF)进行了研究.结果表明,光子晶体光纤(PCF)的芯区折射率与包层区等效折射率的差随波长的增大而增大;固定包层空气孔的相对孔径,PCF基模的两个正交偏振态简并被打破,呈现出模式高双折射;随着芯区小空气孔椭圆率变大,模式双折射增大,PCF的总色散曲线变平坦.     

太赫兹光子晶体光纤与天线设计

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为基质,设计了一种空芯多孔包层结构的太赫兹光纤,中心的大孔缺陷用于传输太赫兹波,周围四层小孔可以将太赫兹波的传播限制在缺陷内部。利用COMSOL软件对光纤的损耗特性进行仿真分析发现,光纤在0.6 THz的泄露损耗低于0.1 dB/m,具有良好的传输特性。和金属波导口可以当作天线辐射电磁波的原理相似,光纤的端面也可以作为天线将内部传输的太赫兹波向外辐射,通过仿真分析,天线在0.59~0.61 THz的回波损耗低于-25 dB,方向性系数大于20 dB,半功率波束宽度约为13。     

A novel high birefringence equal diameter circular-hole photonic crystal fiber

A novel equal diameter circular-hole photonic crystal fiber (PCF) with high birefringence is proposed and numerically analyzed by employing the finite-element method. The proposed PCF’s birefringence is 10-3, which can reach 2 orders higher than that of traditional high birefringence fiber, and this equal diameter circular-hole structure reduces the difficulty of the actual drawing process. The effect of different parameters on the birefringence of this PCF is investigated, and the application of the Sagnac interferometer based on fiber filling technology in temperature sensing is studied. The result shows that the high birefringence PCF can be used in both optical communication and optical sensing fields.     

Polarization Maintaining Air-Core Bandgap Fibers for Terahertz Wave Guiding

A polarization-maintaining air-core bandgap polymer fiber is proposed for low-loss terahertz (THz) wave guiding. The polarized guided modes are confined in an asymmetric core by a bandgap of periodic arrangement of square holes with round corners in the cladding. The guiding properties, including transmission bandwidth, numerical aperture, phase-index birefringence, modal absorption loss, and bend loss, are systematically investigated. The influence of background polymers on guiding properties is demonstrated in detail. Numerical simulations reveal that, while maintaining a relatively high phase-index birefringence (of the order of 10^-3 ), the THz fiber shows a significant suppression of absorption loss of the background polymers (by a factor of more than 25) due to the bandgap effect that repels the modal power from the absorbent polymers. The proposed THz fiber has potential for guiding intense THz waves for polarization-sensitive applications.     

A new photonic crystal fiber gas sensor based on evanescent wave in terahertz wave band: design and simulation

In this paper, we present the design of a new photonic crystal fiber （PCF） gas sensor for evanescent-field sensing in terahertz （THz） wave band. This sensor can be used to identify the gas, and its size is very large, so that it is beneficial to fill it with the test substance. Based on simulation, we demonstrate that the gas sensor using PCFs with four noncir- cular large holes in the cladding has high sensitivity and low loss, the confinement loss is less than 0.007 dB/m, and the bending loss is very small. The new PCF gas sensor can detect kinds of gases, for example, if test gas is water va- por, it has obvious absorption peaks in THz band, and the sensitivities of gas sensor are 64% and 73% at 1.097 THz and 0.752 THz, respectively. Due to the ultra-low loss and high sensitivity of the model, the novel steering-wheel structured fiber is very suitable for evanescent-field sensing and the detection of chemical and biological products.     

一种新型高双折射光子晶体光纤的特性研究

设计了一种新型结构的光子晶体光纤,建立了对应的数学模型并采用全矢量有限元法对该结构的模场强度、有效折射率、双折射、色散特性和限制损耗进行了分析。研究表明,该光纤在1 550nm处可以获得高达7.66×10-3的双折射和低至12ps/(nm·km)的色散值,同时在800～1 600nm波长范围内,始终保持1.498×10-6 dB/m以下的极低限制损耗,可用于制造极低色散值的保偏光纤。     

基于曲折线型介质超材料的宽带太赫兹四分之一波片

采用基于高阻硅的曲折线型（meander-line）介质超材料,设计了一种宽带的太赫兹四分之一波片,可以在较宽的频率范围内将入射的线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波出射。三维全波模拟显示,通过恰当地设计超材料微结构的几何尺寸,可以调节微结构的双折射特性,进而改变沿微结构两个正交方向偏振的太赫兹波的透射振幅和相位,使之振幅相近（约0.55）,相位相差90。实验上,通过离子束刻蚀硅的方法按照设计加工了一个样品,并利用太赫兹时域频谱系统进行了表征。实验结果和模拟结果吻合得很好,实现了带宽在1.07~1.41 THz范围内有效的四分之一波片,对应的归一化椭圆率高达0.99,证实了该设计的有效性。此外,还通过改变微结构的几何参数,进一步在模拟上设计了两个在其他太赫兹波段工作的四分之一波片,证明了该微结构的可调谐特性。     

太赫兹宽带非对称传输器件的研究

提出一款双层双L形太赫兹非对称传输器件,其结构单元由典型的金属-介质-金属结构组成,顶层为轴对称的双L形金属层,底层为中心对称的双L形金属层。在1.174~1.420THz范围内,当x极化波正向垂直入射时,该器件的非对称传输参数大于0.6,其中在1.207~1.377THz范围内非对称传输参数大于0.8,在1.334THz时非对称传输参数达到峰值0.859。最后,讨论了材料的选择和入射角度对器件非对称传输性能的影响。该非对称传输器件具有频带宽、非对称传输明显等特点,可用于太赫兹二极管、太赫兹开关等功能器件。     

New High Nonlinear and Dispersion Flattened Photonic Crystal Fiber

A new high nonlinear dispersion flattened photonic crystal fiber is proposed. This fiber has three-fold symmetry core. The doped region in the core and the big air-holes in the 1-st ring can make high nonlinearity in the PCF. And the small air-holes in the 1-st ring and the radial increasing diameters air-holes rings in cladding can be used to turn the dispersion properties of the PCF. We can achieve the optimized optical properties by carefully selecting the PCF's structure parameters. A PCF with flattened dispersion is obtained. The dispersion is within ±0.8 ps·nm-1·km-1 from 1.50 μm to 1.62 μm. The nonlinear coefficient is about 12.645 6 W-1·km-1, the fundamental mode area is about 10.257 9 μm2 and the birefringence is about 3.086 96×10-5 at 1.55 μm. This work may be useful for effective design and fabrication of dispersion flattened photonic crystal with high nonlinearities.     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

环烯烃共聚物多孔太赫兹纤维的设计与特性模拟

太赫兹纤维波导是太赫兹系统中重要的组成元件。为了实现太赫兹辐射的低损耗低色散传输,设计了一种以环烯烃共聚物为基质的多孔太赫兹纤维,并利用基于全矢量有限元法的商业软件COMSOL 分析了该多孔太赫兹纤维的传输特性,着重考察了亚波长多孔纤芯的结构参数对传输特性的影响。结果表明,这种太赫兹纤维可以将模场能量很好地限制在亚波长多孔纤芯中传输,具有较小的有效模场面积、低的传输损耗和平坦近零色散等优良的传输特性;同时,通过增大多孔纤芯的占空比,可以将更多的模场能量限制在亚波长直径的空气孔洞中传输,并减小太赫兹纤维的有效模场面积和有效模式损耗,但同时会增大限制损耗和色散。