低损耗、高带宽太赫兹聚合物光子晶体光纤理论与实验研究

The terahertz systems were hard to be light, compact and portable on account of the lack of high quality terahertz fibers with the performance of flexibility, low-loss and high broad-band. Hollow core photonic bandgap fiber (HC-PBGF) is a two dimensional optical transmission medium based on the theory of photonic crystal. As the recent study shows, the reasonable structure of HC-PBGF is expected to break through the traditional limitations of the band gap and achieve the low-loss, broad-band transmission on the infrared wavelengths. However, the relative research report in terahertz wave has not been found. In this application, a large hollow core and high air filling factor HC-PBGF is presented, based on the research foundation of polymer microstructure optical fibers in our group for many years. The physical mechanism of factors that affect the fiber’s transmission characteristics will be theoretically and experimentally studied. Rational designed fiber structure can limit terahertz wave to transmit in the air core and eliminate the cross interference of surface and conduction modes. Our own technology of controlling the gas pressure of holes respectively is used to get the high air filling factor and excellent fiber structure. And then the high efficient transmission for terahertz wave can be achieved. This is a significantly important study both in terahertz waveguide theory research and practical applications. By which it is expected to settle the problem that let the terahertz wave efficiently transmit in flexible fibers, and the terahertz systems can lose weight.

太赫兹系统不能实现轻量化、紧凑化和便携化的最大障碍是缺乏柔性、低损耗、高带宽的太赫兹光纤器件。空芯带隙型光子晶体光纤是基于光子晶体理论的一种二维光传输介质。最新研究发现，合理的带隙型光子晶体光纤结构有望突破传统的窄带隙限制，在红外波段实现低损耗、高宽带传输。但其在太赫兹波段的研究还未见报道。申请人在多年从事聚合物微结构光纤研究取得的系列研究成果之上，提出设计和制造一种具有大空气芯、高占空比（超过90%）空气孔包层的带隙型光子晶体太赫兹光纤。拟从理论和实验两方面研究影响光纤传输特性的物理机制。通过合理的光纤结构设计加强对太赫兹波的束缚能力、消除表面模与传导模的交叉干扰；通过自创的特殊工艺（空气孔微气压分控技术）实现对占空比和光纤结构的控制，最终实现太赫兹波的高效传输。本研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值，有望从根本上实现太赫兹波的柔性、高效传输，使太赫兹系统彻底瘦身。

太赫兹波是近些年科学技术领域的研究热点之一，具有许多传统电磁波所不具备的优势和特点。随着研究的不断深入和技术的不断进步，太赫兹的应用越来越广泛。太赫兹光纤是太赫兹系统紧凑化、微型化、便携化的关键器件，也是太赫兹通信的关键技术。本项目的实施中，课题组围绕太赫兹光纤、微结构光纤的设计、制造与测试表征这几个方面开展了系统和深入的研究。.首先，理论设计和仿真了三种微结构光纤，包括车轮型悬浮梯度折射率多孔芯光纤、单偏振单模悬浮芯微结构光纤和负曲率抗共振反射型光纤，主要针对其传输损耗特性、偏振特性、色散特性等问题开展了研究工作。其中，车轮型悬浮梯度折射率多孔芯光纤的纤芯直径为432μm，占空比44%时，在0.71-0.95THz有超平坦近零色散0.14±0.07ps/(THz·cm)，在0.8-1THz有较低的模间色散0.0152±0.0004ps/(THz·cm)，可实现低色散传输；单偏振单模悬浮芯光纤由矩形电介质条构成椭圆芯，可以得到带宽为400nm的单偏振单模传输，并且光纤中x偏振基模在空气中有较高的能量占比，可以被用于各种高精度传感领域； 负曲率抗共振反射型光纤具有低至10-4dB/m级别的限制损耗。.其次，分别采用预制棒-拉伸法、3D打印法制作了以PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、COP（环烯烃聚合物）、紫外固化树脂为原料的太赫兹传输光纤，并利用太赫兹时域光谱系统对其进行了传输损耗的测试和表征。结果表明，负曲率抗共振反射型太赫兹光纤在低频段实验实现了低至0.2dB/m（②号光纤）和0.1dB/m（③号光纤）的超低损耗传输；PMMA材料的悬浮芯微结构光纤在0.4THz附近损耗高达370dB/m，0.6THz附近具有略低的损耗值约160dB/m；COP材料的悬浮芯微结构光纤在0.3~0.5THz频段具有约9dB/m的传输损耗，比PMMA光纤的损耗低一个数量级。.聚合物微结构光纤在太赫兹波的传输领域具有明显的优势。通过我们多年的研究，实现了太赫兹的低损耗和高带宽传输，在太赫兹仪器设备、太赫兹通信等领域具有广阔的应用前景，将为科学仪器和装置的紧凑化、集成化、便携化提供解决方案。