一種太赫茲保偏光纖及其製作方法
2023-10-05 09:40:44 4
專利名稱：一種太赫茲保偏光纖及其製作方法
技術領域：
本發明屬於光電子材料技術領域，具體涉及太赫茲保偏光纖結構及其製作方法。
背景技術：
太赫茲保偏光纖的研究尚處於起步階段，文獻多為理論研究結果，實際製備的太赫茲保偏光纖很少。通常採用幾何結構的不對稱性引入雙折射，模式雙折射(相雙折射)可達10_2數量級。已報導的太赫茲高雙折射光纖主要為光子晶體光纖、多孔光纖和聚合物管光纖。傳輸損耗大是目前太赫茲保偏光纖的主要問題之一。在已報導的太赫茲高雙折射光纖中，損耗通常為幾十dB/m。這是因為絕大多數介質材料在太赫茲波段的吸收損耗較高。 乾燥空氣對太赫茲波幾乎沒有吸收，因此人們通過各種方法提高太赫茲波在空氣中的傳輸能量比例，從而降低傳輸損耗。然而，不論是光子晶體光纖、多孔光纖還是聚合物管光纖，部分能量還是通過介質來傳輸。太赫茲高雙折射光纖的另外一個問題是對波的束縛能力弱， 這不利于波的穩定傳輸。為了改善傳輸損耗大和束縛能力弱的問題，我們基於介質/金屬空芯光纖結構研究高雙折射太赫茲光纖。介質/金屬空芯光纖是通過在基管內面鍍金屬膜和介質膜得到的。介質膜能增加內表面反射率，從而有效降低光纖損耗。由於內膜在太赫茲波段的高反射率，絕大部分能量(> 99%)被束縛在空氣纖芯中傳輸。這一方面有效降低了傳輸損耗,另一方面使得光纖傳輸特性不易受到環境幹擾。該光纖具有傳輸損耗小、柔韌性好、結構簡單等優點，是一種有發展前景的太赫茲傳輸光纖。可用於傳輸光，以及製作各種光電子器件、 氣體或者液體傳感器等，廣泛應用在醫療、科研、工業等領域。
發明內容
本發明的目的在於提出一種低損耗、高雙折射的太赫茲保偏光纖優化結構及其製作方法。I、低損耗、高雙折射太赫茲光纖的結構參數的確定
本發明提出的太赫茲保偏光纖，為介質/金屬空芯光纖，通過在基管內壁鍍金屬膜和介質膜得到。本發明通過引入橢圓橫截面獲得模式雙折射。其結構如圖I所示。其中a為橢圓截面長軸半徑4為橢圓截面短軸半徑，為介質膜厚度，S為金屬膜厚度。優化設計主要從損耗和模式雙折射兩個方面考慮。模式雙折射表示為'B:\neff-Iieffy |，其中neffx、 neffy分別表偏振和偏振的有效折射率。圖2為模式雙折射和橢圓度(a/ΖΟ的關係曲線，圖3為損耗和橢圓度的關係曲線。 考慮三種短軸半徑300 μπκ 400 μπι、500 μ m。圖2中三條曲線均在a/6 =3附近得到雙折射最大值。結合圖3，隨著橢圓度的增加，損耗先是迅速降低，然後平緩下降。在橢圓度大於3的區域，損耗的變化並不是很明顯。結合這兩個圖，我們可以得到，對於雙折射和損耗，橢圓度在3左右是比較理想的選擇。在實際操作時，可取較優的橢圓度為2 4，更優選
2.5 3. 5。
接著分析光纖孔徑和雙折射、損耗的關係。圖4為雙折射和歸一化孔徑( 的關係曲線，λ為傳輸波長。計算中取傳輸波長為300 μ m。可見，歸一化孔徑越
大，雙折射越小。圖中離散的點是計算結果，實線對應表達式:沒=O. 16 (#/J)_3，點和
實線吻合得很好。我們考慮了不同波長的情況，如圖4中插圖所示，當歸一化孔徑一定，雙折射是恆定值。圖5是損耗和歸一化孔徑的關係曲線。歸一化孔徑越大，損耗越小。然而當歸一化孔徑一定，雙折射和波長有關，波長越小，損耗越小。結合這兩個圖，我們可以得到
兩個結論①雙折射和損耗都和成正比。從這個角度，在選擇光纖孔徑尺寸的時
候，要權衡損耗和雙折射這兩個因素在長波長，更容易獲得低損耗、高雙折射光纖。根據以上分析，在實際製備中，根據目標雙折射和傳輸損耗選擇長軸和短軸之比為2 4，並根據雙折射和歸一化孔徑之間的關係確定孔徑尺寸。理論上，該結構光纖在I THz (300 μ m)處可獲得3X 10_2的模式雙折射和2. 4 dB/m的吸收損耗。2、本發明的低損耗、高雙折射太赫茲光纖的製作方法，具體步驟如下
(1)確定光纖孔徑參數根據目標雙折射和傳輸損耗選擇長軸和短軸之比在2 4之間， 優選2. 5 3. 5 ;並根據雙折射和歸一化孔徑之間的關係確定孔徑尺寸；
(2)加熱並徑向擠壓圓形樹脂毛細管，獲得橢圓毛細管；
(3)活化處理，使用O.Γ1 %質量分數的SnCl2水溶液處理空芯光纖毛細管內壁表面， 時間8 15s，通過這一步驟可以加快銀膜沉積的速度，並減少銀膜表面的粗糙度；
(4)液相鍍銀,使用液相鍍膜法,利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管內壁表面鍍一層銀膜(Ag)。渡膜裝置如圖6所示；
(5)液相鍍介質膜，利用蠕動泵使樹脂溶液以一定速度流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被乾燥後形成光滑的光學薄膜。渡膜裝置如圖7所示。
圖I :光纖截面示意圖。圖2 :模式雙折射和橢圓度的關係。圖3 :損耗和捕圓度的關係。圖4 :模式雙折射和歸一化孔徑的關係。圖5 :損耗和歸一化孔徑的關係。圖6 :銀鏡反應裝置圖。圖7:液相鍍膜裝置圖。圖中標號I為空芯光纖毛細管(樹脂管)，2為銀氨溶液瓶，3為葡萄糖溶液瓶，4為廢液瓶，5為真空泵，6為樹脂溶液瓶，7為內壁表面鍍有銀膜的空芯光纖毛細管，8為蠕動泵；9為基管，10為金屬膜，11為介質膜，12為空氣。
具體實施例方式下面通過實施例進一步描述本發明。目標波長為300μπι。光纖擬達到的目標參數為模式雙折射為2Χ10_2，損耗為2-5 dB/m。首先，根據設定的光纖結構參數，製備橢圓基管。然後，使用質量濃度為O. 1%的 SnCl2A溶液活化空芯光纖基管管內壁表面，通過這一步驟可以加快下一步銀膜沉積的速度，並減少銀膜表面的粗糙度；然後，使用液相鍍膜法，利用銀鏡反應的原理在基管內壁鍍一層銀膜；最後，以環己烷為樹脂顆粒的溶劑，獲得一定濃度的樹脂溶液。利用蠕動泵使樹脂溶液以一定速度流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被乾燥後形成光滑的光學薄膜。通過調節樹脂溶液濃度、溶液流速，得到不同厚度的介質內膜。具體的操作步驟及參數
1、確定光纖結構參數根據目標參數，選定長軸和短軸之比為3。由目標雙折射2X10_2 以及關係式沒=O. 16 Λ計算得到a=l mm、b=346 μπι。此時,理論損耗為2.1 dB/m ；
2、加熱並徑向擠壓內徑圓形PC基管,獲得內半徑為360μ mX I. Imm的橢圓基管；
3、利用附圖6所示裝置，將圖中的AgNO3溶液和葡萄糖溶液用SnCl2溶液(濃度為O.1% 質量分數)替代，用真空泵均勻、快速地抽取溶液約10-13S，使其通過空芯光纖毛細管(樹脂管)。通過這一步驟可以加快銀膜沉積的速度，並減少銀膜表面的粗糙度；
4、利用附圖6所示裝置，使用液相鍍膜法，利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管(樹脂管)內壁鍍一層銀膜。此步驟屬於本領域的常規的工藝步驟，在此不贅述；
5、將鍍好銀膜的空芯光纖毛細管用氮氣吹乾，利用附圖7所示裝置，用蠕動泵抽取COP 溶液，COP溶液濃度、流速和溫度可以根據實際實驗條件和目標波長調節。
權利要求
1.一種太赫茲保偏光纖，其特徵在於為介質/金屬空芯光纖，通過在基管內壁鍍金屬膜和介質膜得到，其橫截面為橢圓，根據目標雙折射和傳輸損耗，橢圓的長軸和短軸之比為 2 4，並根據雙折射和歸一化孔徑之間的關係確定孔徑尺寸。
2.一種如權利要求I所述的太赫茲保偏光纖的製作方法，其特徵在於具體步驟如下(1)確定光纖孔徑參數根據目標雙折射和傳輸損耗，選擇長軸和短軸之比在2 4之間，並根據雙折射和歸一化孔徑之間的關係確定孔徑尺寸；(2)加熱並徑向擠壓圓形樹脂毛細管，獲得橢圓毛細管；(3)活化處理，使用O.Γ1 %質量分數的SnCl2水溶液處理空芯光纖毛細管內壁表面， 時間8 15s ;(4)液相鍍銀,使用液相鍍膜法,利用銀鏡反應的原理在空芯光纖毛細管內壁表面鍍一層銀膜；(5)液相鍍介質膜，利用蠕動泵使樹脂溶液流過鍍銀光纖，殘留的液相膜被乾燥後形成光滑的光學薄膜。
全文摘要
本發明屬於光電子材料技術領域，具體涉為一種太赫茲保偏光纖及其製作方法。本發明的太赫茲保偏光纖為介質/金屬空芯光纖，通過在基管內壁鍍金屬膜和介質膜得到，其橫截面為橢圓，根據目標雙折射和傳輸損耗，橢圓的長軸和短軸之比為2～4，並根據雙折射和歸一化孔徑之間的關係確定孔徑尺寸。該結構光纖在1THz(300μm)處可獲得3×10-2的模式雙折射和2.4dB/m的吸收損耗。
文檔編號G02B6/024GK102608695SQ201210098829
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月6日 優先權日2012年4月6日
發明者孫幫山, 湯曉黎, 石藝尉 申請人:復旦大學