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聚合物太赫兹光纤布喇格光栅

光子学报 2015年第4期44卷 135-139页

作者：何忠蛟浙江工商大学信息与电子工程学院杭州310018

研究了一种基于聚合物太赫兹光纤的太赫兹光纤布喇格光栅.通过二氧化碳激光器或紫外激光器点对点加工聚合物太赫兹光纤,实现聚合物太赫兹光纤直径的周期性调制,从而实现太赫兹光纤布喇格光栅的周期性折射率调制.基于有限元方法和光纤布... 详细信息

研究了一种基于聚合物太赫兹光纤的太赫兹光纤布喇格光栅.通过二氧化碳激光器或紫外激光器点对点加工聚合物太赫兹光纤,实现聚合物太赫兹光纤直径的周期性调制,从而实现太赫兹光纤布喇格光栅的周期性折射率调制.基于有限元方法和光纤布喇格光栅相关理论,考虑反射峰波长、反射率、带宽、光纤长度、光纤直径和光纤直径形状变化程度等因素,研究了太赫兹光纤布喇格光栅的特性.理论模拟表明,反射峰波长和光栅周期存在与传统光学波段光纤布喇格光栅不同的非线性关系.

关键词：太赫兹光纤布喇格光栅有限元方法聚合物太赫兹光纤太赫兹波导二氧化碳激光器

低损耗空芯反谐振太赫兹光纤设计、制备及性能研究

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低损耗空芯反谐振太赫兹光纤设计、制备及性能研究

作者：李彪北京工业大学

学位级别：硕士

太赫兹波的高频率、大带宽、低能量等性质使其在6G通信、传感成像等领域有着十分重要的应用价值。随着太赫兹产生与探测技术的不断成熟,高效传输逐渐成为限制太赫兹技术进一步发展的重要因素。相比于自由空间传输,兼具低损耗、非视距传... 详细信息

太赫兹波的高频率、大带宽、低能量等性质使其在6G通信、传感成像等领域有着十分重要的应用价值。随着太赫兹产生与探测技术的不断成熟,高效传输逐渐成为限制太赫兹技术进一步发展的重要因素。相比于自由空间传输,兼具低损耗、非视距传输等特性的太赫兹波导成为太赫兹波高效传输的最佳方式,有望在太赫兹系统集成、太赫兹通信、太赫兹光纤激光器等领域发挥重要作用。在已提出的多种太赫兹波导中,聚合物空芯反谐振太赫兹光纤(hollow-core antiresonant terahertz fiber,HC-ARTF)凭借其低损耗、低色散与模式可控等诸多优势,成为太赫兹波导领域的研究重点。空芯反谐振太赫兹光纤的损耗由光纤结构决定的泄漏损耗和光纤材料决定的吸收损耗两部分构成,在此前的研究中,基于环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymers,COC)等太赫兹波段低损耗材料与无节点空芯反谐振结构设计,提出了多种低损耗的空芯反谐振太赫兹光纤设计,但在光纤制备上,包括3D打印在内的传统聚合物微结构光纤制备方法在光纤材料、光纤结构以及光纤长度、柔性等方面均存在一定的限制,阻碍了光纤性能的进一步提升。因此,开发将低损耗材料与低损耗结构有效结合的光纤制备方法,提出可行的光纤设计并实现光纤制备对太赫兹光纤领域的发展具有重要意义。本论文详细介绍了在聚合物微结构光纤制备方法优化、低损耗空芯反谐振太赫兹光纤设计以及光纤制备与表征方面的研究工作,具体内容包括:1.空芯反谐振光纤损耗机制研究与太赫兹光纤设计从反谐振反射光波导模型出发,在理论上研究了空芯反谐振光纤的导光机理、工作波段影响因素以及损耗来源,总结了泄漏损耗、吸收损耗以及弯曲损耗等光纤性能与光纤材料、光纤结构的对应关系,为低损耗空芯反谐振太赫兹光纤的设计提供了思路。在光纤材料上选择太赫兹波段低吸收的COC降低光纤的吸收损耗,在结构上首先引入了悬浮芯与六边形空芯反谐振这两种常见的太赫兹光纤结构,用于制备技术的验证。对于低损耗的太赫兹光纤,引入三种无节点空芯反谐振光纤结构,并通过数值仿真证明了光纤的低损耗。2.聚合物微结构光纤制备方法优化与太赫兹光纤制备通过对设备与工艺的改进,实现了COC等聚合物颗粒原料到微结构光纤的单步制备,避免了二次加工对原料物化特性的影响,同时降低了光纤制备的成本。根据光纤的结构设计,结合热场与流体仿真建立结构化模具的设计流程,设计并制备了用于微结构光纤与光纤包层管挤压成型的结构化模具。结合结构化模具实现了悬浮芯与六边形空芯反谐振光纤的单步制备。针对无节点空芯反谐振太赫兹光纤单步制备中出现的严重形变问题,提出了分步式光纤制备方法,实现了三种无节点空芯反谐振太赫兹光纤的制备,尺寸误差小于2%。同时,针对长距离柔性低损耗太赫兹光纤的制备提出了可行方案。3.低损耗空芯反谐振太赫兹光纤的表征利用太赫兹时域光谱系统对三款无节点空芯反谐振太赫兹光纤的性能进行了表征,证明了三款光纤的反谐振导光特性以及低损耗、低时延太赫兹波传输性能。采用截断法测得单环式空芯反谐振太赫兹光纤在0.88 THz频率处的损耗为0.6 d B/m,为已报道的空芯反谐振太赫兹光纤的最低损耗。

关键词：太赫兹光纤空芯反谐振光纤挤压法环烯烃共聚物

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低损耗太赫兹光纤器件及其特性分析

低损耗太赫兹光纤器件及其特性分析

作者：罗剑锋哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着太赫兹(THz)技术日益发展,THz系统已不再满足于体积庞大的自由空间传播,研究出低损耗传输的THz波导是THz技术能否广泛应用的关键。太赫兹多孔芯光纤由于纤芯集成了高占空比的亚波长空气孔,能够很好地降低材料吸收损耗。基于多孔芯... 详细信息

随着太赫兹(THz)技术日益发展,THz系统已不再满足于体积庞大的自由空间传播,研究出低损耗传输的THz波导是THz技术能否广泛应用的关键。太赫兹多孔芯光纤由于纤芯集成了高占空比的亚波长空气孔,能够很好地降低材料吸收损耗。基于多孔芯光纤的THz光纤器件,是太赫兹技术研究跨入应用型研究的重要元件,在太赫兹通信及传感体系中具有十分广泛的应用前景。本课题研究了两种不同类型的基于多孔芯的THz高双折射光纤,以及基于双悬挂芯的THz光纤偏振分束器,对这三种结构的光纤特性进行了数值分析。本文首先概述了太赫兹技术的研究背景,主要包括THz波的定义及应用、产生、检测和传输几个方面。然后介绍了THz光纤器件的发展现状,揭示了本课题的研究意义。探究了光纤的导光机制及其数值分析方法,详细介绍了有限元法及基于有限元的COMSOL Multiphysics软件,并概述了利用该软件进行光纤特性分析的步骤。提出了一种基于方形晶格的多孔芯光子晶体光纤(PCF),可用于太赫兹波的保偏。通过在PCF纤芯上设计矩形阵列空气孔,可同时获得超高的双折射和较低的有效材料损耗(EML)。利用COMSOL软件对THz波的传播特性进行了详细的数值分析。数值结果表明,该光纤在1 THz处具有高达0.063的双折射,材料吸收损耗降低为0.081 cm。此外,在0.85.9 THz宽的频域上,可以获得很低的平坦色散,并且调节参数还可实现零平坦色散。仿真结果显示该光子晶体光纤在偏振保持和色散管理中有潜在的应用前景。设计了一种高双折射THz光纤,在悬挂芯中含有亚波长矩形空气槽。该光纤在宽频范围内可提供10量级的高双折射。在0.95 THz时,能同时获得0.078的超高双折射、0.39 dB/cm的低有效材料损耗和1.25×10 dB/cm的低束缚损耗。此外,数值计算结果表明,可以获得变化幅度较小的低色散。由于功率剖面包络为类高斯型,这对于与常用太赫兹源的耦合具有重要意义。对于y偏振模,计算得到的耦合效率高达～95%。该悬挂芯光纤将在THz波偏振保持和细菌检测应用中发挥重要作用。提出了一种基于悬挂式双芯光纤的太赫兹偏振分束器。首先介绍了双芯定向耦合器的基本理论,之后对该THz偏振分束器进行了数值分析。光纤的每个纤芯由两个附着的亚波长聚合物管构成,这有利于高双折射的实现。由于x和y偏振模的耦合长度不同,在特定的传播距离下,该分束器可以完全分离两个正交偏振模。在中心频率为1 THz的情况下,分束器长度可以短至1.184 cm,插入损耗为0.6 dB,且消光比优于-10 dB的带宽为0.05 THz。此外,与其它太赫兹偏振分束器不同,该光纤的设计存在一个高效的规则。对于给定的工作频率,满足该规则条件,就能迅速地得到具有高消光比的偏振分束器。

关键词：太赫兹光纤低损耗高双折射分束器 PCF

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低损耗太赫兹光纤器件的设计与研究

低损耗太赫兹光纤器件的设计与研究

作者：刘鑫江西师范大学

学位级别：硕士

电磁频谱中的太赫兹辐射位于毫米波和红外线之间,随着太赫兹技术的发展,人们设计和研究了许多不同的太赫兹器件,包括太赫兹光纤耦合器、太赫兹偏振分束器、低损耗太赫兹光纤等。偏振分束器是相干光通信系统和光纤传感器等实际应用中一... 详细信息

电磁频谱中的太赫兹辐射位于毫米波和红外线之间,随着太赫兹技术的发展,人们设计和研究了许多不同的太赫兹器件,包括太赫兹光纤耦合器、太赫兹偏振分束器、低损耗太赫兹光纤等。偏振分束器是相干光通信系统和光纤传感器等实际应用中一个必不可少的器件,近红外波段的偏振分束器通常由传统光纤设计和制作,然而在传统光纤的基础上设计一个器件长度较短的偏振分束器具有很大的挑战性,之前报道的偏振分束器的长度一般在25-260毫米之间。光子晶体光纤(PCFs)的出现扩展了光纤波导的性能,为制备器件长度更短的偏振分束器提供了一种全新的设计方法。理论上,THz光纤耦合器件可以通过之前报道的PCFs结构实现。换言之,一个工作在近红外波段的偏振分束器,可以通过基于工作波长比进行必要的尺寸调整来适用于THz波段。本文提出一种相对简单的基于非对称悬浮双芯光纤的太赫兹偏振分束器设计方案。其中一个纤芯是由两个不同厚度的矩形介质带相交形成,另一个是由相同厚度的介质条交叠区域悬浮而成的圆形实心纤芯。纤芯之间的距离可以调整,以此来确保短分束长度和低传输损耗,最终实现了长1.27cm的太赫兹偏振分束器,x偏振模和y偏振模的传输损耗分别为0.53dB和0.67dB。消光比约为-20dB,带宽为0.046THz。

关键词：太赫兹光纤分束器消光比传输损耗带宽偏振

基于反谐振原理的空芯太赫兹波导设计与传输特性研究

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基于反谐振原理的空芯太赫兹波导设计与传输特性研究

作者：丁金龙江苏大学

学位级别：硕士

太赫兹由于在电磁波谱中的特殊位置而具有许多特殊的性质,其在生物医学、无损检测、保密通信以及国防安全等领域都具有广泛的应用。迄今为止,许多太赫兹系统都是基于太赫兹波在自由空间传输的条件下,其体积庞大、不易集成且易受到外界影... 详细信息

太赫兹由于在电磁波谱中的特殊位置而具有许多特殊的性质,其在生物医学、无损检测、保密通信以及国防安全等领域都具有广泛的应用。迄今为止,许多太赫兹系统都是基于太赫兹波在自由空间传输的条件下,其体积庞大、不易集成且易受到外界影响,这是限制太赫兹技术发展的一大原因。因此,开发低损耗的宽带太赫兹波导可以有效地推动太赫兹系统的集成化发展,从而推广太赫兹波的应用。本文首先介绍了太赫兹波的特性、太赫兹技术的应用以及太赫兹波导的研究现状。其中,详细介绍了聚合物太赫兹波导的发展进程,分析了目前太赫兹技术应用的前提需要解决低损耗的太赫兹波导问题。因此,本文针对低损耗的太赫兹波导展开研究,详细介绍了以下三个方面的工作:1、设计了一种基于反谐振结构的低损耗太赫兹波导。运用COMSOL有限元仿真软件得到基模场强分布以及有效模式折射率。仿真结果表明,通过使纵向和水平半管的厚度产生差别可以使光纤获得高双折射;在不对称结构下,光纤在不同水平半管厚度下都具有较高的偏振相关损耗,可以在一定的频率范围内实现单偏振传输;设计的空芯反谐振光纤可以在0.25THz的宽频率范围内,双折射大于1.5×10,传输损耗小于10d B/m。2、设计了一种将布拉格结构作为反谐振光纤包层基本单元的空芯太赫兹光纤,数值模拟表明,由布拉格结构组成反谐振单元的四管空芯太赫兹光纤同时具有反谐振传输和布拉格带隙导光的特性,突破反谐振光纤的束缚损耗极限,相比于单层介质层组成的空芯反谐振光纤,可以将反谐振光纤的束缚损耗降低2～3个数量级。最后,对光纤弯曲损耗分析表明,将布拉格结构作为反谐振光纤包层的基本单元可以将光纤的弯曲损耗降低1个数量级以上;其次,合理的选择光纤的外环直径可以有效地抑制纤芯模式和包层模式之间的耦合,减少耦合损耗。3、研究了六角结构的布拉格反谐振太赫兹光纤的传输特性,其模场呈六边形分布,相比于四角结构的正方形模场,其可以有效低降低光源的耦合损耗。数值模拟表明,与单层介质层六管反谐振光纤相比,其能够将光纤的束缚损耗降低1～2个数量级。其次弯曲损耗的分析表明,引入布拉格结构能够使光纤的弯曲损耗降低1个数量级以上;其次,较小的外环直径可以有效减少纤芯和包层模式之间的模式耦合;最后,还分析了当光纤的弯曲角度不同时,其对应的弯曲损耗也会存在差异。

关键词：太赫兹波太赫兹光纤反谐振光纤布拉格结构传输损耗

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太赫兹无线和有线融合通信技术的研究与展望

太赫兹科学与电子信息学报 2023年第1期21卷 22-29页

作者：张教童伟东朱敏华炳昌蔡沅成雷明政余建军东南大学移动通信国家重点实验室江苏南京210096 网络通信与安全紫金山实验室江苏南京211111 复旦大学信息科学与工程学院上海200433

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹... 详细信息

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹通信系统成为研究热点之一,但太赫兹无线通信存在视距传播以及较大路径损耗缺点,太赫兹无线和有线融合传输则兼具两者优点。本文分析了光子太赫兹信号产生、光子太赫兹无线链路传输和光子太赫兹光纤链路传输过程中涉及的器件和技术,重点介绍了太赫兹有线传输的研究现状,并通过基于强度调制直接检测实现1.485 GBaud 350 GHz的1 m太赫兹光纤有线实时传输视频实验,展现了太赫兹有线传输巨大的发展潜力。

关键词：太赫兹通信太赫兹产生太赫兹光纤太赫兹有线传输