太赫兹双空芯光纤定向耦合器-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 2 (2013) 028702 太赫兹双空芯光纤定向耦合器* 1 2 1 1 1† 姜子伟 白晋军 侯宇 王湘晖 常胜江 1) ( 南开大学, 现代光学研究所, 天津 300071 ) 2) ( 天津工业大学, 电子与信息工程学院, 天津 300387 ) ( 2012 年5 月8 日收到; 2012 年6 月26 日收到修改稿) 设计了一种低损耗太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器. 采用全矢量有限元法对光纤的耦合特性、损耗和色 散进行了理论分析. 结果表明, 这种光纤定向耦合器在 1.55—1.80 THz 范围内耦合长度小于1.8 cm, 能够实现0.07 THz 范围内窄带耦合, 且其损耗系数低于0.02 cm1. 这种耦合器将在太赫兹窄带滤波、波分复用、开关和偏振分 离等技术中有潜在应用价值. 关键词: 太赫兹, 双芯光子带隙光纤, 光纤耦合器, 耦合长度 PACS: 87.50.U, 42.81.Qb, 42.70.Qs DOI: 10.7498/aps.62.028702 14 比较少见. 2009 年, Dupuis 等 通过将两根亚波 1 引言 长聚合物光纤紧贴放置实现定向耦合, 由于太赫兹 导模能量与吸收介质重叠面积较小, 介质对太赫兹 太赫兹(THz) 波是指频率处于0.1 THz 到 10 的吸收损耗较低. 但是, 由于这种耦合器中, 光纤是 THz 之间的电磁波, 在电磁波谱上介于微波和光波 以空气为包层, 极易受到外界的干扰产生极大的散 之间, 既有微波的良好穿透性又有光波的优异操控 射损耗, 特别是受空气中水蒸气的影响较大. 为了 性, 并具有很多独特的性质, 比如宽瞬时带宽、高 15 克服这一缺点, 2010 年Nielsen 等 设计了一种 信噪比、低辐射能量、对非极化物质有较强的穿 双微结构纤芯的光子晶体光纤定向耦合器, 可以实 透性. 而且很多大分子的振动和转动频率、以及凝 现宽带定向耦合. 然而这种双芯耦合器耦合长度较 聚态体系的元激发均落于此波段. 这些特性决定 大, 导模的大部分能量与背景材料重叠, 造成较大 了太赫兹波可以广泛应用于物体成像、光谱分析、 的吸收损耗, 且结构复杂, 不易加工实现. 2011 年白 医疗诊断、材料分析测试以及无线通信等技术领 16 晋军等 提出一种双圆芯光子带隙光纤定向耦合 域 19 , 具有重要的学术价值和重大的应用前景, 器, 光纤的包层由亚波长尺度呈三角晶格排列的空 已形成一个快速发展的前沿研究领域. 气孔组成, 两个纤芯分别由去掉的7 个空气孔构成, 发展太赫兹技术的应用, 需要低损耗的THz 波 其耦合长度约 13.5cm, 相比于双微结构耦合器, 耦 导结构以实现THz 波的高效传输, 同时也需要高 合长度约缩短到 1/4. 然而这个长度仍