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多芯光子晶体光纤引导偏振保持的太赫兹波

       双折射和近零色散平坦的光子晶体光纤引导太赫兹波,适用于低损耗成像和传感应用。

 

       光子晶体光纤(PCF),也称为微结构光纤(MOF),是一类光纤,适用于传感、生物医学成像、时域光谱、DNA杂交和癌症检测以及光通信等领域的应用。与传统光纤不同,PCF提供高双折射和可控色散。

 

       固体PCF经历大的材料损失,不适合太赫兹信号传输,而空心PCF将电磁波限制在短的传播距离,并且具有与光纤的直径和弯曲半径成反比的高弯曲损耗。由于这些不希望的特征减缓了固体和空心PCF的可接受性,因此开发了多孔芯纤维。

 

       位于阿德莱德大学的团队的多孔PCF,其中包含设计数量的微结构气孔,使设计人员能够控制诸如气孔尺寸、间距(中心距离)之类的光纤参数、气孔、芯径和气孔形状。反过来,可以通过设计获得诸如材料损失、双折射、色散、限制损失、数值孔径和其他模态特性的操作参数,如应用要求所规定的。

 

PCF作为波导

 

       波导的主要功能是在所需波长下传输具有低可能传输损耗和接近零色散的电磁辐射。在过去的十年中,已经设计并研究了许多波导结构。

 

       最初,太赫兹电磁波由金属波导引导。各类型的金属波导包括圆形,平行板,裸金属线和狭缝波导。不幸的是,金属波导面临许多问题,包括金属条和槽产生大的欧姆和衰减损耗的;圆形金属波导基板导致高介电损耗;在非制导介质中的光束扩散导致平行板波导的发散损失;由于模式对结构的弱限制,发生裸金属波导中的辐射损耗。太赫兹传输的好选择是光纤介质波导。

 

减少传输损耗

 

       考虑到PCF的优点,已经设计了许多波导结构用于电磁波的低损耗传输(参见图 1)。

图1.为减少电磁波的传输损耗而提出的光子晶体光纤(PCF)设计包括正六边形包层中的混合芯(a),改进的六边形包层中的混合芯(b),旋转圆形包层(c)中的六角形芯和kagome包层(d)中的菱形芯。

 

       通过(a)六边形包层和混合结构芯可以显着减少由PCF背景中使用的块状材料引起的材料吸收损失; (b)改进的六边形包层,其中去除了每个边缘的气孔,减少了损耗并改善了双折射; (c)具有旋转六角形芯的圆形包覆PCF波导; (d)一种kagome-clad PCF,比其他竞争PCF结构减少3-4倍的限制损失。

 

       后一种kagome配置比其他报告的包层结构减少了3-4倍的损耗。原因是kagome包层能够收集芯内多的光并限制光进一步朝向包层。

 

高双折射

 

       对于偏振保持应用,PCF需要在x和y偏振模式之间具有不对称性。因此,已经提出了许多不对称结构的波导以获得高双折射,包括在kagome晶格内部的椭圆形和矩形气孔(参见图 2)。

图2.高双折射基于PCF的波导包括带有椭圆形气孔芯的kagome包层(a),带有矩形气孔芯的kagome包层(b),以及带有椭圆形气孔阵列的矩形气孔包层在(c)。

 

       这些椭圆形和矩形气孔在x和y偏振模式之间产生大的不对称性,从而改善双折射。注意,也可以使用圆形气孔产生双折射 - 然而,这也需要在偏振模式之间产生不对称的结构。

 

双折射和传感

 

       通过用分析物替换PCF孔中的环境空气,可以将PCF转换为传感器。通过优化PCF的改进的全内反射(MTIR)机制来改善灵敏度,以改善光与周围PCF基板材料的相互作用。

 

       例如,如果我们使用水(折射率约为1.33)作为核心孔内的分析物而不是空气(折射率约为1.0),由于较高的折射率,由于强烈的MTIR,光与分析物的相互作用将强比包层。实质上,核心功率分数增加并且限制损失减少。注意,相对灵敏度正比于核心功率部分,因此,作为核心功率分数增大时,相对灵敏度也增加(参见图 3)。

图3.用作传感器的PCF的实例包括具有多孔芯的悬浮型包层

 

       那么,为什么感知需要PCF双折射?考虑到乙醇作为化学分析物,测量不确定性随样品厚度的增加而增加,因为当用作询问波长时,太赫兹波的吸收增加。然而,如果样品厚度减少得太多,不确定性也增加,因为不充分的相互作用的深度。

       已经证明,使测量不确定性样品厚度是(2 / α),其中α是吸收系数。注意,乙醇的吸收系数在0.2-1.4THz范围内在20-80cm -1范围内。如果考虑α = 20 cm -1,这将产生最坏情况下的最大厚度2 / α = 2/20 = 0.1 cm = 1 mm。

 

       虽然1 mm是一个相当大的厚度值,但不确定性与厚度曲线的最小值并不是很窄,而是相当平坦 - 也就是说,将厚度减半并不会显着降低不确定性。因此,我们可以合理地将1 mm的值减半并选择0.5 mm作为合适的样品厚度。当在约1.4THz时分析该0.5mm样品时,太赫兹辐射的路径长度现在实际上是0.05×80 = 4个吸收​​长度。这对应于20log e ^ -4~ = -35dB的衰减,这是可控的。

 

       已知基于光纤的太赫兹外差检测可以在低至3μW的功率水平下进行。这意味着输入太赫兹光纤的功率必须>160μW,这是可以实现的。因为众所周知,基于光纤的外差检测要求本地振荡器的极化与光纤末端检测到的极化对齐,必须使用保偏光纤,从而巩固PCF光纤对双折射的需求基于太赫兹的传感。

 

PCF传感器比较

 

       用于传感的多孔芯和空芯PCF的表征表明,空心芯可以改善性能,因为多的分析物可以填充芯结构。3在具有基于圆形气孔的多孔芯的悬挂型包层的传感器结构中,取决于所使用的玻璃材料,芯接口可能产生感测问题。

 

       也有在使用外部或内部感测机构的PCF感测的选项。在外部传感方法中,分析物通道位于等离子体材料之外并且相对容易填充。相反,在气孔内使用分析物的内部传感方法更复杂,因为用分析物填充微结构微小气孔是困难的。

 

       使用PCF的金属和电介质界面之间的表面等离子体共振(SPR)效应也可以产生基于SPR的生物传感器。通过在光纤芯内加入金,铜,铁和银等金属,当p偏振光波的电子在金属 - 电介质界面之间振荡时,SPR起作用。环境折射率的微小变化会改变共振波长,从而实现SPR传感器,用于医疗诊断和测试,抗原 - 抗体相互作用,环境监测,       迄今为止,PCF制造方法如毛细管堆叠,钻孔和溶胶——凝胶方法产生圆孔,而3D打印,挤出和化学气相沉积(CVD)方法产生非圆形和复杂结构。随着这些方法的改进,下一代PCF设计将继续在传感和传输应用中取得进展。

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