Page 21 - 网络电信2024年8月刊
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基于空芯反谐振光纤的三芯结构宽带耦合器设计
陈乐，陈明阳
江苏大学机械工程学院
摘要：提出一种基于三芯结构空芯反谐振光纤的太赫兹耦 以实现宽带分束。
合器。采用有限元分析法对太赫兹光纤的模式特性进行分析， 本文提出一种基于三芯对称结构的空芯反谐振光纤耦合
并基于耦合理论得到其耦合特性曲线。仿真结果表明，三芯结 器，利用其结构的对称性来实现宽带的分束，并通过空芯结构
有效降低耦合器的传输损耗。采用有限元法对其模式和耦合特
构模式具有比单芯结构更低的传输损耗，其耦合长度可通过改 性进行分析，得到其耦合长度与光纤结构参数的关系，并对其
模式损耗特性进行分析，进而获得具有低损耗和宽带宽的分束
变纤芯间隔和隔离包层管的间隙进行调节。采用长度为223.2 结构。
mm的三芯结构空芯光纤可以实现插入损耗小于3.5 dB、带宽达 2 耦合器结构原理
到0.52 THz的宽带、均匀分束。 图1(a）为一种空芯反谐振光纤的横截面结构示意图，紫色
部分表示高折射率介电层，灰色部分为空气。6个包层管排列在
关键词：光学器件；空芯太赫兹光纤；反谐振；模式耦 光纤内，作为单芯空芯反谐振光纤结构的基本单元。理论上，
合；损耗特性；带宽分析 采用双芯光纤即可实现分束，但由于双芯结构耦合器的工作频
率带宽较窄，在传输过程中输出的光没有对称性，很难获得均
1 引言 分输出光。因此，本文提出一种三芯光纤耦合方案，如图1(b）
所示。三芯结构由图1(a）所示的单芯结构组成，相当于将3个
太赫兹波是指波长在0.03～3 mm范围内、频率为0.1～10 单芯结构拼接起来，为了实现纤芯间模式的耦合，对相邻纤芯
THz的电磁波，太赫兹波的波长范围使它在短波段和长波段分 共用的空气孔位置进行微调，14个包层管排列在3个单芯空芯结
别与红外波段和毫米波段重叠，因此它成为微光子学和宏观电 构内。三芯空芯反谐振光纤的包层管在3个单芯空芯结构内部排
子学的纽带。相对于其他波段，太赫兹波有着良好的安全性、 列调整，当调整距离较短时，包层管发生相互接触，相互接触
穿透性、宽带性、相干性等优点，在天文地理、无损检测、军 的点成为节点。由于包层管节点的存在，光纤导光传输过程中
事安全和生物医学等领域，太赫兹波的发展和研究都有着广阔 会产生Fano共振，导致光纤损耗增大。为了避免这一现象的发
的前景。 生，选取无节点型反谐振光纤，即包层管之间相互不接触。适
当调节包层管位置，其中相邻纤芯共用的4个空气孔与其他包层
太赫兹波在自由空间中的传输易受空气中的水汽等吸收的 管的结构参数均相同，利用这4个空气孔物理隔离此三芯结构，
影响，为实现对太赫兹波传输的有效控制，人们采用光纤结构 防止3个单芯光纤组合重叠成一个纤芯而影响耦合效果，其余包
传输太赫兹波。太赫兹光纤分为实芯光纤和空芯光纤两大类， 层管分布在光纤内[图1(b）]。
其中基于反谐振原理的空芯太赫兹光纤可以将太赫兹波限制在
空气纤芯中传输，极大地降低了材料吸收的影响，受到人们的 图1 空芯反谐振光纤的横截面结构示意图（a）单芯结构；（b）三芯结构
广泛关注。
采用基于有限元法的商用软件COMSOL来模拟仿真所提出
在近红外波段，光纤耦合器是实现对光进行分束、传输控 的空芯反谐振光纤的模式特性，使用完美匹配层（PML)来吸收
制的关键器件。太赫兹耦合器是实现对太赫兹波进行分束和合 辐射到边界的能量，从而减少边界处的能量反射。选取圆形作
束的重要器件。2010年，Nielsen等提出一种工作在太赫兹波段 为三芯空芯反谐振光纤的完美匹配层，以减少传输过程中的损
的3 dB宽带光纤耦合器，在两个纤芯中引入亚波长空气孔结构， 耗。为了在模拟中获得更高的精度，将模型的网格设置为波长
以有效提升该耦合器的带宽，但器件的吸收损耗较大。2011 控制，电介质区域的最大单元尺寸设置为λ/6，空气区域的最
年，Chen等提出了基于三芯光子晶体光纤结构的太赫兹定向耦 大单元尺寸设置为λ/4。
合器，通过采用超小尺寸的光纤结构，可以有效地减少由波导
材料吸收引起的器件损耗。2012年，白晋军等设计了一种基于 太赫兹空芯反谐振光纤的传输损耗由束缚损耗和吸收损耗
太赫兹双芯光子带隙光纤的偏振分束器，该偏振分束器的耦合
长度小于15 cm。2017年，Wu等提出一种太赫兹宽带耦合器，该
耦合器通过耦合线调整结构，在频率为1.47～2.3 THz时，-10 dB
阻抗带宽为44%，证明了该耦合器具有优越的宽带性能。2020
年，Dinani等提出一种基于石墨烯的太赫兹定向耦合器，通过对
石墨烯定向耦合器的耦合系数进行调整，可以获得很好的耦合
效果。2021年，Zhu等提出一种太赫兹光纤定向耦合器，该定向
耦合器具有对称的双悬芯结构，可以实现低损耗和偏振不敏感
的定向耦合分束。理想的耦合器应具有宽带宽、低插入损耗等
特性。由于太赫兹光纤中存在吸收损耗，太赫兹光纤耦合器的
插入损耗通常较大，从而影响其使用。基于空芯结构的太赫兹
光纤虽然传输损耗较低，但在耦合器的设计上较为困难，更难
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