低損耗大帶寬雙芯負曲率太赫茲光纖偏振分束器*

惠戰強 高黎明 劉瑞華 韓冬冬 汪偉

1) (西安郵電大學電子工程學院，西安 710121)

2) (中國科學院西安光學精密機械研究所，瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，西安 710119)

設計了一種基于雙芯負曲率光纖的新型低損耗大帶寬太赫茲偏振分束器，該器件以環烯烴共聚物為基底，沿圓周等間距分布著12 個含內嵌管的圓形管，通過上下對稱的兩組外切小包層管將纖芯分成雙芯.采用時域有限差分法對其導模特性進行分析，詳細研究了各個參數對其偏振分束特性的影響，分析了該偏振分束器的消光比、帶寬、傳輸損耗等性能.仿真結果表明:當入射光頻率為1 THz，分束器長度為6.224 cm 時，x 偏振光的消光比達到120.8 dB，帶寬為0.024 THz，y 偏振光的消光比達到63.74 dB，帶寬為0.02 THz，傳輸總損耗低至0.037 dB/cm.公差分析表明結構參數在±1%的偏差下，偏振分束器仍然可以保持較好的性能.

1 引言

太赫茲波位于電磁頻譜上的毫米波和紅外光之間，同時具有光波和微波的優點，在光通信[1]、光傳感[2]、光成像[3]和生物醫學光譜學[4]等領域具有廣泛應用，受到普遍關注.在過去的二十多年，太赫茲源和探測器的研究逐漸成熟并且進入實用階段，極大推動了太赫茲技術的快速發展.但目前的太赫茲系統主要采用分立器件，太赫茲波在空間傳輸，導致系統體積龐大，成本較高，難以維護[5].太赫茲光纖的提出，為太赫茲波的傳輸提供了一種理想介質[6]，同時，各種基于微納結構的太赫茲調制器[7]、偏振器[8，9]、濾波器[10]、光開關[11]、吸收器[12]等不斷被提出，使實現體積小巧結構緊湊的太赫茲系統成為可能.另一方面，偏振是太赫茲波的一個重要特性，各種線性或非線性光學效應均與太赫茲波的偏振態密切相關，同時，基于偏振特性還可以對太赫茲波進行分束、濾波、開關等信號處理功能，進而構建功能各異的各種太赫茲系統，具有重要工程應用價值.

偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)是一種十分重要的偏振調控器件，它能將電磁波中相互正交的兩種偏振模式分開，便于獨立進行后續處理;或者將偏振方向相互垂直的兩束光合束.在光纖通信、光纖傳感、光成像、生命科學、國家安全、航空航天等方面都具有重要的作用[13].得益于光纖通信技術的迅速發展，工作于近紅外波段的偏振分束器已廣泛商用化.然而，由于天然材料在太赫茲頻域具有較大的吸收，電磁響應非常弱，限制了太赫茲波段偏振分束器的發展[14].截至目前，人們已提出了一些方案，根據偏振分束器結構的不同，可以分為多模干涉儀型[15]、反射陣列型[16]、鍍增透膜型[17]、微結構光纖型[18]等.其中，微結構光纖型偏振分束器具有損耗低、易于與現有光纖通信系統連接的優勢，得到了較多關注.如2013 年，Li 等[19]首次采用指數逆匹配耦合法設計了一種基于芯區正交微結構雙芯光子晶體光纖的太赫茲PBS，在0.65 THz 處x偏振和y偏振的消光比分別為33.83和21 dB，工作帶寬分別為0.01 和0.02 THz，分束器長度為18.2 cm，損耗為0.395 dB/cm.2016 年，Chen等[20]設計了一種基于雙橢圓懸浮芯光纖的太赫茲偏振分束器，在0.6 THz 處的分束器長度為1.43 cm，x偏振的消光比為54 dB，帶寬為0.013 THz，y偏振的消光比為36 dB，帶寬為0.01 THz，損耗為0.28 dB/cm.2017 年，汪靜麗等[21]設計了一種基于領結型多孔雙芯光纖的太赫茲偏振分束器，在2.3 THz 處x偏振和y偏振的消光比達到22.94和19.2 dB，分束器長度為0.6 cm，傳輸損耗為0.45 dB/cm.2018 年，Zhu 等[22]設計了一種基于非對稱雙懸浮芯光纖的太赫茲偏振分束器，1 THz處x偏振和y偏振的消光比分別為38 和70 dB，工作帶寬均為0.046 THz，分束器長度為1.27 cm，損耗為0.4 dB/cm.2021 年，Wang 等[23]設計了一種基于四橢圓空氣孔懸浮芯光纖的太赫茲偏振分束器，1 THz 處x偏振和y偏振的消光比為20.8和20.5 dB，工作帶寬分別為0.01 和0.012 THz，分束器長度為0.865 cm，傳輸損耗低于0.15 dB/cm.然而，上述方案均采用多孔芯結構或懸浮芯結構，盡管與實芯結構相比可極大降低材料吸收損耗，但光纖基底材料中仍然存在部分導模，引起一定的材料吸收損耗.同時，也無法克服材料本身固有的非線性、色散、瑞利散射、光照損傷等缺陷.設計性能優良的低損耗、大帶寬太赫茲PBS 仍是當前太赫茲技術領域亟待解決的難題.最近，新出現的負曲率光纖表現出極大的優勢，所謂的負曲率是指纖芯邊界的表面法線方向與柱坐標系的徑向單元矢量方向相反[5].由于導模被很好地限制在空氣芯中傳輸，因而具有超低損耗、超低色散等優良特性，為太赫茲光纖器件的創新提供新的可能[24，25].

本文設計了一種基于空芯負曲率光纖的新型太赫茲偏振分束器，采用嵌套環以及雙芯結構，導模被很好地限制在兩個空氣芯中，通過調整光纖結構參數，可以調節纖芯間的耦合特性，進而控制偏振分束特性，最終在保持超低損耗的前提下實現了高消光比和寬工作帶寬.數值結果表明:對于長度為6.224 cm 的分束器，當入射光頻率為1 THz 時，x偏振光和y偏振光的最高消光比分別為120.8和63.74 dB，帶寬分別為0.024 和0.02 THz，總傳輸損耗低至0.037 dB/cm.公差分析表明該器件具有良好的工藝容忍性.

2 結構設計及性能指標

所設計的新型雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器的橫截面如圖1 所示.12 個相鄰排列的大圓環以及內切無節點排列的12 個小圓環作為光纖的包層，上下對稱的兩組外相切的十字形排列的小圓環分別與上下大圓環包層管相切，將光纖分成雙芯結構，左邊為B 芯，右邊為A 芯.其中，所有的圓環管厚度一致，均為t，大圓環的半徑為r1，與大圓環內切的小圓環的半徑為r3，十字形排列的小圓環半徑為r2，相鄰兩大圓環的圓心間距為Λ，對稱分布的兩大圓環的圓心間距為4Λ，白色部分為空氣，藍色區域為基底材料.

圖1 雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器橫截面結構圖Fig.1.Cross sectional structure of dual core negative curvature fiber terahertz polarization beam splitter.

由于TOPAS 環烯烴共聚物(copolymers of cycloolefin，COC)在太赫茲波段具有近似恒定的折射率、材料吸收損耗低、易加工等優點[26，27]，選擇其作為基底材料，該材料的折射率與波長的關系由Sellmeier 方程描述[28]:

式中，A1=2.045，A2=0.266，A3=0.206.

太赫茲負曲率光纖的導光機理是基于反諧振效應，將光纖中高折射率層看作一個F-P 諧振腔，當入射光波頻率滿足該F-P 腔的諧振條件時，就會諧振出高折射率層，導致能量泄露;當入射光頻率遠離諧振頻率時，光被F-P 腔反射回來，從而被限制在低折射率層，并沿著其軸向向前傳播[29].諧振頻率可通過下式計算[30]:

其中，c為真空中的光速，n1為材料COC 的折射率，n2為空氣折射率，t是管的厚度，m是諧振階次.對于90 μm 的管厚，當m分別取1，2 時，諧振頻率分別為1.46 和2.91 THz.

所設計的太赫茲偏振分束器為雙芯結構，根據耦合模理論，由于雙芯破壞了傳統光纖圓中心對稱性，本來簡并的x偏振光和y偏振光將被解除簡并態，導致在這樣的波導中存在4 個非簡并態模式，分別為x偏振偶模、x偏振奇模、y偏振偶模、y偏振奇模[31].奇模指的是兩個纖芯中模式電場方向相反，偶模指的是兩個纖芯中模式電場方向相同.相同偏振光下的奇模和偶模具有相同的偏振方向，彼此之間由于干涉發生耦合作用，不同偏振光的奇模和偶模具有不同的偏振方向，它們之間不發生耦合作用.因此，不同的偏振光具有不同的耦合長度[31].

耦合長度為衡量分束器性能優劣的一個重要指標.當某一偏振光的能量從一個纖芯耦合到另一個纖芯中時，該纖芯中的光能量出現由最大值(Pmax)到最小值(Pmin)的變化，另一個纖芯中則相反，光能量由(Pmin)變成了(Pmax)，相應的偏振光在光纖中的傳輸距離就定義為光纖的耦合長度，x偏振光和y偏振光的耦合長度可通過下式分別計算[32]:

式中，λ是入射光波長，f是入射光頻率;β表示傳播常數，n表示有效折射率，下標e 和o 分別表示偶模和奇模，上標x和y分別表示x偏振方向和y偏振方向，例如是x方向的偶模傳播常數;是x方向的偶模有效折射率.

不考慮損耗時，若光入射到A 芯，在A 芯中傳輸距離L時，兩偏振光的歸一化輸出光功率可分別表示為[32]

同樣，在B 芯的輸出端口兩偏振光的歸一化功率[32]為

消光比(extinction ratio，ER)是衡量偏振分束器分束性能優劣的另一指標，表征光在纖芯中傳輸一定距離后，輸出端口處兩束偏振光達到的分離程度，即光功率的相對比值.A 芯和B 芯的消光比分別表示為[32]

消光比的絕對值越大，分束特性越好.在實際應用中，一般認為偏振分束器消光比的絕對值大于20 dB 時，即實現較好分束.因此，偏振分束器的消光比的絕對值大于20 dB 所覆蓋的頻率范圍被定義為其工作帶寬.

對于太赫茲負曲率光纖來說，限制損耗(confinement loss，CL)和有效材料吸收損耗(effective material loss，EML)也是需要考慮的，二者統稱為總傳輸損耗.限制損耗是指由于光子晶體光纖中周期性空氣孔的層數有限，導致該光纖對太赫茲波的限制能力有一定的局限性，造成部分能量泄露引起的損耗.一般用限制損耗αCL來表示光子晶體光纖對太赫茲波的限制能力，可根據有效折射率的虛部計算得到[33]:

有效材料吸收損耗描述材料對太赫茲波的吸收效應，可由下式得到[34]:

3 優化與討論

在雙芯負曲率光纖中，相互正交的兩個偏振光耦合長度不同，即Lx ／Ly，為獲得性能優良的偏振分束器，以不同偏振光的耦合長度的比值作為參考，該比值稱為耦合長度比[35](coupling length ratio，CLR)，可以表示為

式中，n和m分別代指不同的正整數，其中一個為奇數，另外一個為偶數，當滿足n/m2(或1/2)時，偏振分束器的性能為理想狀態，因此以CLR盡可能地接近2 或1/2 作為優化依據，從而設計性能優良的偏振分束器.由于雙芯負曲率光纖的結構參數(r1，r2，r3，Λ，t)會影響其耦合特性，因此下面，將分別討論結構參數變化對耦合特性的影響，以得到最優結構參數.

首先分析r1對耦合特性的影響.仿真中，保持r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm 不變，r1分別為375，380，385 μm 時，耦合長度和CLR 隨頻率的變化關系如圖2 所示.由圖2(a)可得，x偏振光的耦合長度隨著頻率的增大而增大，y偏振光的耦合長度隨著頻率的增大而減小，耦合長度比CLR 隨著頻率的增加而減小.根據耦合長度的定義式，其由頻率和折射率差共同決定，對于同樣的r1，若入射光頻率與折射率差的乘積變大，則耦合長度減小，反之增大.而對于相同的入射光頻率，r1的增大導致雙芯的區域變小，耦合作用強弱發生變化，同時也使得偶模和奇模的折射率差改變，耦合作用的強弱和折射率差的大小共同影響了耦合長度的大小.因此x偏振和y偏振的耦合長度出現圖2 所示變化，且在不同的r1下具有不同的耦合長度.在1 THz 處，當r1=380 μm 時，CLR十分接近2，因此選取r1的最優參數為380 μm.

接著分析參數r2對耦合特性的影響.圖3 為固定參數r1=380 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm，r2分別為156，160，164 μm 時耦合長度和CLR 隨頻率變化的曲線圖.可以看出，x偏振光和y偏振光的耦合長度的變化趨勢與圖2(a)類似，耦合長度比CLR 的變化趨勢與圖2(b)類似.分析認為，r2的增大導致雙芯間的耦合“橋梁”變小，耦合作用的強弱和折射率差均發生改變，耦合作用的強弱和折射率差的大小共同影響耦合長度的大小.因此x偏振和y偏振的耦合長度出現圖3中所示變化，且不同的r2下具有不同的耦合長度.在1 THz 處，當r2=160 μm 時，CLR=2，因此選取r2的最優參數為160 μm.

圖2 當固定參數r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm 時，r1 分別為375，380，385 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖 (a)耦合長度;(b) CLRFig.2.Variation of coupling length and CLR:(a) Coupling length on frequency when r1 varies from 375 to 385 μm when r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm;(b) CLR in x-polarization and y-polarization.

圖3 當固定參數r1=380 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm 時，r2 分別為156，160，164 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖 (a)耦合長度;(b) CLRFig.3.Variation of coupling length and CLR:(a) Coupling length on frequency when r2 varies from 156 to 164 μm when r1=380 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm;(b) CLR in x-polarization and y-polarization.

接下來討論參數r3對耦合特性的影響.圖4為固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，Λ=810 μm，t=90 μm，r3分別為170.1，174.1，178.1 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖.可以看出，x偏振光的耦合長度隨著頻率的增大幾乎不變，y偏振光的耦合長度隨著頻率的增大而減小，而r3的不同僅僅對耦合長度造成微弱影響，耦合長度比CLR 隨著頻率的增加而減小.原因在于，r3的改變導致耦合作用的強弱和折射率差的大小發生略微變化，對耦合長度的影響很小.在1 THz 處，當r3=174.1 μm 時，CLR=2，具有優良的耦合特性，因此選取r3的最優參數為174.1 μm.

圖4 當固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，Λ=810 μm，t=90 μm 時，r3 分別為170.1，174.1，178.1 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖 (a)耦合長度;(b) CLRFig.4.Variation of coupling length and CLR:(a) Coupling length on frequency when r3 varies from 170.1 to 178.1 μm when r1=380 μm，r2=160 μm，Λ=810 μm，t=90 μm;(b) CLR in x-polarization and y-polarization.

下面分析參數Λ對耦合特性的影響.圖5 為固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，t=90 μm，Λ分別為805，810，815 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖.如圖5 所示，x偏振光的耦合長度隨頻率增大緩慢增大，y偏振光的耦合長度隨頻率增大逐漸減小，但對同一頻率，隨Λ的增大，耦合長度先增大后減小，當Λ分別為805 和815 μm 時，耦合長度隨頻率變化曲線近似重合.原因在于，Λ的單調增大導致雙芯的區域變小，改變了耦合作用的強弱和折射率差的大小，二者共同作用導致耦合長度改變.在1 THz 處，當Λ=810 μm 時，CLR 十分接近2，具有很好的耦合特性，因此選取Λ的最優參數為810 μm.

圖5 當固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，t=90 μm 時，Λ 分別為805，810，815 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖 (a)耦合長度;(b) CLRFig.5.Variation of coupling length and CLR:(a) Coupling length on frequency when Λ varies from 805 to 815 μm when r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，t=90 μm;(b) CLR in x-polarization and y-polarization.

最后討論參數t對耦合特性的影響.圖6 為固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t分別為87，90，93 μm 時耦合長度和CLR 隨頻率變化的曲線圖.可以看出，x偏振光的耦合長度隨頻率的增大幾乎不變，而y偏振光的耦合長度隨頻率的增大發生明顯變化，當t=87 μm，y偏振光的耦合長度隨頻率的增大大幅減小;當t=90 μm，減小幅度變緩;當t=93 μm，先略微減小后逐漸增大.原因在于，t的改變會引起諧振頻率的變化，同時也會導致奇模與偶模耦合作用的強弱改變，導致有效折射率差發生改變，最終影響了耦合長度的大小.在1 THz 處，當t=90 μm 時，CLR十分接近2，因此選取t的最優參數為90 μm.

圖6 當固定參數r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm 時，t 分別為87，90，93 μm 時耦合長度和CLR 與頻率的變化關系圖 (a)耦合長度;(b) CLRFig.6.Variation of coupling length and CLR:(a) Coupling length on frequency when t varies from 87 to 93 μm when r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm;(b) CLR in x-polarization and y-polarization.

4 性能分析

根據上述分析可知，當選取負曲率光纖結構參數r1=380 μm，r2=160 μm，r3=174.1 μm，Λ=810 μm，t=90 μm 時，該偏振分束器的CLR 最接近2，可實現偏振分束功能.根據(2)式可知，對于90 μm 的管厚，諧振階次為1 時，諧振頻率為1.46 THz.要使入射光很好地被限制在空氣雙芯中傳播，工作頻率應盡量遠離諧振頻率.對于優化后的光纖結構，圖7 為在入射光頻率為1 THz 時的模場分布圖，顯然，光場被很好地限制在空氣纖芯中傳輸.

圖7 雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器模場分布圖 (a) x 偏振偶模;(b) y 偏振偶模;(c) x 偏振奇模;(d) y 偏振奇模Fig.7.Distributions of four supermodes in the proposed dual core negative curvature fiber terahertz polarization beam splitter:(a) x-polarized even mode;(b) y-polarized even mode;(c) x-polarized odd mode;(d) y-polarized odd mode.

圖8 為在最優結構參數下，4 個非簡并模式的有效折射率隨頻率的變化關系圖，可以看出，當頻率從0.98 THz 增加到1.02 THz 時，4 個模式的有效折射率隨著頻率的增加而增加，正是由于結構的非圓對稱性，增加了雙折射，使得4 個模式的有效折射率并不相同.4 個模式的有效折射率大小關系為x偏振偶模 ＞y偏振偶模 ＞y偏振奇模 ＞x偏振奇模.根據圖8 可得，在1 THz 附近，x偏振的偶模和奇模折射率差減小，y偏振的偶模和奇模折射率差增大，這與上文對結構參數討論中的變化一致.

圖8 4 個非簡并模式的有效折射率隨著頻率的變化關系圖Fig.8.Variation of effective refractive index with frequency.

對于所設計的雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器，圖9 分別為其兩個纖芯中相互垂直的兩個偏振光的歸一化能量和隨著傳輸距離的變化曲線圖.仿真中認為從A 芯端口輸入頻率為1 THz 的x偏振光和y偏振光，將入射光光功率進行歸一化處理時，令1，1.可以看出，對于特定的偏振光，其光能量在兩個纖芯中周期性變化.當光在光纖中傳輸距離為6.224 cm 時，A 芯中x偏振光的能量達到最大，y偏振光的能量達到最小，而同時在B 芯中，x偏振光的能量達到最小，y偏振光的能量達到最大，y偏振光與x偏振光實現完全分離.

圖9 偏振分束器的雙芯中歸一化能量隨著傳輸距離的變化關系圖 (a) A 芯;(b) B 芯Fig.9.Normalized transmission power changes with distance in the dual core of polarization beam splitter:(a)Core A;(b) core B.

圖10 所示為雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器的長度為6.224 cm 時，A 芯和B 芯的輸出端口的消光比隨著頻率的變化曲線圖.可以看出，當入射光頻率為1 THz 時，A 芯端口x偏振光的消光比達到120.8 dB，帶寬為0.024 THz，B 芯端口y偏振光的消光比達到63.74 dB，帶寬為0.02 THz.表明在帶寬范圍內，偏振分束器的性能優良，滿足寬帶寬和高消光比的要求.

圖10 偏振分束器的雙芯輸出端口消光比變化曲線圖 (a) A 芯;(b) B 芯Fig.10.Variation curve of extinction ratio of dual core output port of polarization beam splitter:(a) Core A;(b) core B.

再對所設計的偏振分束器的損耗特性進行分析，圖11(a)和圖11(b)分別為該PBS 的限制損耗和材料有效吸收損耗隨頻率的變化關系圖.可以看出，在所研究的頻率范圍(0.98—1.02 THz)內，僅有y偏振奇模出現上升的趨勢，其他3 個模式的損耗均隨著頻率的增加而下降.限制損耗最低為10—6dB/cm，有效吸收損耗最低為0.037 dB/cm，與以前的工作相比[35，36]，具有低的限制損耗和有效吸收損耗.傳輸損耗為二者之和，主要由有效吸收損耗決定，即為0.037 dB/cm.

圖11 偏振分束器的損耗隨著頻率的變化關系圖 (a)限制損耗;(b)有效吸收損耗Fig.11.Variation of loss with frequency in the proposed dual core negative curvature fiber terahertz polarization beam splitter:(a) Confinement loss;(b) effective material loss.

當在雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器的某一個纖芯中分別輸入x偏振光和y偏振光時，光束在雙芯中的傳輸情況如圖12 所示.圖12(a)和圖12(b)分別為在A 芯中輸入x偏振光時，模式在A 芯和B 芯中的傳播情況，圖12(c)和圖12(d)分別為在A 芯中輸入y偏振光時，模式在A 芯和B 芯中的傳播情況.可以看出，在一個纖芯中輸入x偏振光時，由于所設計的偏振分束器的長度為x偏振光的耦合長度的2 倍，因此x偏振光在傳輸過程中經歷兩次完全耦合狀態，依然在原來的纖芯端口輸出;而對于y偏振光，偏振分束器的長度恰好等于y偏振光的耦合長度，y偏振光在傳輸過程中經歷一次完全耦合，y偏振光的能量幾乎完全耦合到另一個纖芯中，因此y偏振光在另一個纖芯端口輸出.同時，這4 幅圖展現了所設計的偏振分束器的整個偏振分束過程.因此，在該偏振分束器的輸入端某一個纖芯的端口耦合一根單模傳輸的太赫茲光纖作為輸入端，在另一端的兩個纖芯端口各自耦合一根單模傳輸的太赫茲光纖作為輸出端.為提高耦合效率，可設計光纖型模斑轉換器作為過渡.最終，輸入端輸入x偏振光和y偏振光，x偏振光和y偏振光將從輸出端不同的纖芯輸出，可以用來接不同的光學系統，彼此獨立完成后續的光信號處理.

圖12 A 芯中分別輸入x 偏振光和y 偏振光時，雙芯的模式傳輸情況 (a) A 芯中x 偏振光;(b) B 芯中x 偏振光;(c) A 芯中y 偏振光;(d) B 芯中y 偏振光Fig.12.Mode transmission of dual core when x-polarized light and y-polarized light are input into core A respectively:(a) x-polarization in core A;(b) x-polarization in core B;(c) y-polarization in core A;(d) y-polarization in core B.

從工程應用的角度考慮，該器件的制備也是一個重要問題.傳統光子晶體光纖的制造方法有堆拉法、壓鑄法、鉆孔法、溶膠凝膠法和3D 打印法等[36-39].本文提出的這種雙芯負曲率光纖結構具有多個微觀空心管，管與管之間有嵌套和耦合連接，整體光纖結構力學性能敏感，采用堆拉法難以制造;壓鑄法可能會使圓環管發生塌縮和變形;鉆孔法和溶膠凝膠法具有操作過程繁瑣、需要特定模具、不靈活、表面粗糙、成本昂貴等缺點，不適合用來大批量制備該結構.與上述相比，3D 打印法具有結構靈活、成本低、均勻性好等優點，適合制造該復雜結構.2015 年，Cruz 等[40]使用3D 打印法制備了一種以Zeonex 為基底材料的太赫茲空芯反諧振光纖.2018 年，Van 等[41]使用3D 打印法制備了一種以COC 為基底材料的太赫茲空芯反諧振光纖，本文設計的這種光纖亦可以使用3D 打印法來制備.

多孔芯結構PBS 和懸浮芯結構PBS 是當前兩種相對流行的太赫茲偏振分束器，前者仍然采用堆拉法和溶膠凝膠法制備[42]，后者多采用擠壓法和3D 打印法來制備[22].考慮到多孔芯結構的高精度孔尺寸和懸浮芯結構的易變形特性，均不容易制作.而本文設計的結構采用的3D 打印法制作較簡單，避免了高精度模具的使用，成本較低，可以大批量制備.因此，本文提出的結構制作難度相比多孔芯結構和懸浮芯結構較小.然而，在制備過程中，仍不可避免地會產生一定的工藝偏差.因此，有必要對所設計器件的公差進行分析.已有工作[43]中討論了偏振分束器的長度在 ± 1%的誤差下對消光比的影響，也有研究工作[42]中討論了參數在± 3%誤差下對分束器長度的影響，受此啟發，本文研究了各個參數 ± 1%誤差下對偏振分束器的主要性能—消光比和帶寬造成的影響，圖13 給出了所設計的5 個結構參數(r1，r2，r3，Λ，t)分別在 ± 1%的參數誤差下消光比的變化情況，其中圖13(a)、圖13(c)、圖13(e)、圖13(g)、圖13(i)為A 芯的消光比變化，圖13(b)、圖13(d)、圖13(f)、圖13(h)、圖13(j)為B 芯的消光比變化.可以看出，各個參數在 ± 1%的誤差情況下，在1 THz 處消光比仍然能達到20 dB 以上，帶寬均在0.02 THz左右.圖14 所示為所有參數在 ± 1%的誤差情況下，A 芯和B 芯的消光比變化情況.可以看出，峰值消光比對應的頻率有頻移，+1%誤差對應的頻率發生左移，—1%誤差對應的頻率發生右移，存在誤差時，1 THz 頻率處的消光比仍在20 dB，具有良好的偏振分束性能，表明該結構具有較大的工藝容差.

圖13 各個參數分別在 ±1%誤差情況下消光比的變化情況Fig.13.Change of extinction ratio of each parameter under ±1% error.

圖14 所有參數在 ± 1%誤差情況下消光比的變化情況 (a) A 芯;(b) B 芯Fig.14.Change of extinction ratio of all parameter under ± 1% error:(a) Core A;(b) core B.

最后將本文設計的雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器與以往文獻中微結構光纖型太赫茲偏振分束器的主要性能參數作比較，結果如表1 所列.可以看出，前期報道的太赫茲PBS 中心頻率大部分為1 THz，最大消光比低于100 dB，分束器長度基本都在厘米量級.本文設計的偏振分束器的長度為6.224 cm，具有較大的工作帶寬，同時消光比和傳輸損耗有顯著優勢.

表1 光纖型太赫茲PBS 性能比較Table 1.Performance comparison of optical fiber terahertz PBS.

5 結論

設計了一種以環烯烴共聚物為基底材料的新型雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器，采用時域有限差分法對其消光比、帶寬、損耗等特性進行分析.數值模擬結果表明:當入射光頻率為1 THz，分束器長度為6.224 cm 時，x偏振光的消光比達到120.8 dB，帶寬為0.024 THz，y偏振光的消光比達到63.74 dB，帶寬為0.02 THz，傳輸總損耗低至0.037 dB/cm.并通過光場模式傳播情況直觀解釋了器件的偏振分束原理，分析了器件結構參數在± 1%偏差下的性能，表明其具有良好的工藝容差.該雙芯負曲率光纖太赫茲偏振分束器具有大帶寬、低損耗等優點，在未來太赫茲光子學領域具有潛在應用.