新型微结构太赫兹光纤研究

由于太赫兹波（THz）科学技术在安检和反恐、环境监测、生物医学工程、材料科学、天文学、信息工程等方面所展示的广阔应用前景，近几年获得了很大的进展。微结构THz光纤由于结构参数灵活、损耗低、抗弯曲性能好及相对较易制作等受到了研究者的关注。本项目将开展THz微结构光纤的理论设计、实验制作和性能表征等研究。提出了几种新型结构的微结构THz光纤，包括包层和纤芯均为周期性空气孔阵列的聚合物微结构光纤，空气孔尺寸渐变的啁啾结构微结构光纤和多椭圆孔结构的微结构光纤等，通过对结构及参数的理论分析、优化设计和实验研究，研制低损耗大带宽的THz微结构光纤，实现高双折射以及单模单偏振的THz特种光纤等。本项研究将对微结构光纤在THz波的传输、传感、成像及系统中的应用发挥重要作用。

由于太赫兹波段材料的损耗与光波段光纤材料相比大得多，给THz波导的设计带来了很大困难。聚合物太赫兹微结构光纤具有结构参数灵活、低损耗、良好的模式约束性和抗弯曲性等，将在THz波的传输、传感、器件、成像及应用系统中发挥重要的作用。.本项目主要研究THz波导及相关器件的设计、制作、性能表征与应用。提出了一种包层和芯层均为空气孔阵列的光子晶体太赫兹波导，可显著提高太赫兹波导设计的灵活性，如应用于高双折射率光纤、保偏光纤及单模单偏振光纤等设计；首次提出了将光子晶体周期孔阵列引入圆形介质波导，并通过侧向挤压晶格的方法形成了一种双折射系数高且可调的椭圆多孔太赫兹波导，双折射系数在很宽频率范围内都在0.02以上，传输损耗与同样的实心材料光纤相比降低了5倍以上；提出了一种新的圆形和椭圆形塑料微细管太赫兹波导，与对应实芯塑料光纤相比，大大降低了传输损耗，并进行了实验验证；使用商用化聚合物微细线和微细管等利用“堆积法”制作了几种光子晶体太赫兹波导，并对其传输特性进行了实验表征；提出了一种新的结构简单、由在圆柱空芯金属波导中嵌入本征半导体GaAs锥形棒组成的太赫兹波段慢波波导，可实现“彩虹形象”。.设计制作了一维光子晶体高Q腔及窄带可调谐滤波器，测试结果为在336GHz频率处，其透过峰宽度为30MHz，即Q值达到了11000，大大高于国际同类器件的水平。并实现了一个光控太赫兹波开关，消光比达到了20dB，而激发功率要比利用单片硅的THz开关小约50倍；首次利用405nm蓝光半导体激光器进行激光诱导和化学镀铜的方法在聚合物（PI、PET、PEN等）薄膜上成功制备了平面超材料太赫兹波器件，最小线宽为7微米。不仅降低了制作系统设备成本，而且还大大降低了制作中的能源消耗。设计制作了多种超材料太赫兹波器件，如线栅偏振器、多波段滤波器和谐振器等，器件性能测试结果与国际同类器件相近。提出了一种对太赫兹波源功率波动及频率漂移不敏感的测量系统，当频率漂移达70MHz时，测量精度可提高一个数量级以上。