介质_金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性
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实验报告网络传输介质(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解网络传输介质的基本概念和种类。
2. 掌握不同网络传输介质的特性和应用场景。
3. 熟悉网络传输介质的连接方式和测试方法。
二、实验原理网络传输介质是指在网络中传输数据信号的物理载体。
根据传输介质的物理特性，可分为有线传输介质和无线传输介质两大类。
有线传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等；无线传输介质包括无线电波、微波、红外线等。
三、实验内容1. 有线传输介质（1）双绞线：双绞线是一种常用的网络传输介质，由多对绞合的铜线组成。
实验内容如下：①观察双绞线的外形结构；②测试双绞线的传输速率；③比较不同质量的双绞线在传输速率上的差异。
（2）同轴电缆：同轴电缆是一种具有内外导体同轴的传输介质，实验内容如下：①观察同轴电缆的外形结构；②测试同轴电缆的传输速率；③比较同轴电缆与双绞线在传输速率上的差异。
（3）光纤：光纤是一种以光波作为载波，以光导纤维作为传输介质的传输介质，实验内容如下：①观察光纤的外形结构；②测试光纤的传输速率；③比较光纤与双绞线、同轴电缆在传输速率上的差异。
2. 无线传输介质（1）无线电波：无线电波是一种常用的无线传输介质，实验内容如下：①观察无线电波发射和接收设备；②测试无线电波的传输距离；③比较不同频率的无线电波在传输距离上的差异。
（2）微波：微波是一种频率较高的无线电波，实验内容如下：①观察微波发射和接收设备；②测试微波的传输距离；③比较微波与无线电波在传输距离上的差异。
（3）红外线：红外线是一种频率较低的无线电波，实验内容如下：①观察红外线发射和接收设备；②测试红外线的传输距离；③比较红外线与无线电波、微波在传输距离上的差异。
四、实验步骤1. 准备实验器材：双绞线、同轴电缆、光纤、无线电波发射和接收设备、微波发射和接收设备、红外线发射和接收设备等。
2. 观察和描述各类传输介质的外形结构。
3. 测试各类传输介质的传输速率，记录数据。
4. 比较不同传输介质在传输速率上的差异。
硅光子晶体光纤中太赫兹波的衰减特性分析
ｐｈ ｓ ２ ０ ８８ ｙ ． ０ ０．
直径 ｄ 逐步增加 ， 能量越集 中于纤芯区 ， 太赫兹波传输损耗越小 。
八
（） １
（） ２
ｆ ： ｆ －
ｋｏ
竹
式 中 是 波 长 。 当 ｆ０１ Ｈ ， Ｌ ＝ ． ｚ 孑 间距 Ａ： ５ｘ 空气 孔层数 Ｎ＝ ， Ｔ ７１ ｍ， ７ 太赫 兹波在 光子
晶体光纤 中损耗特性在 ｄＡ＝ ． ，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗 ， ０４时 为 ０ ０ ３ Ｂｍ ． １ｄ ／ 。在 ｄ ＝ ． 时 ，太赫 兹波在光子 晶体光纤 中损耗 为 ０ ／ ０５ Ａ ９
本文提出了基 于六边形结构光子晶体光纤太赫兹波导 。在传输频 率为 ｆ０ Ｔ ｚ 占空比 ｄ ＝ ． ， ＝． Ｈ， １ ／ ０ ５ 空气孔 间距 Ａ ７ １ Ａ ９ ＝ ５ ｍ时 ， ￣ 最小 传输损 耗为 Ｏ ０ ２ Ｂ ． １ｄ ／ ０ ｍ。研究结果 表明选择合适的参数可以设计 出具有低传 输损耗的太赫兹光子 晶体波导。
性结构 ， ＝ 层中心原空气孔缺省而形成纤芯。Ａ为空气孔间距 ， 芷 ｄ为空 气孔直径 ，， ｄＡ为相对 径 ， Ｌ Ｎ为包层 空气孔层数 ， 。 ｎ 为空气 的折射 率 ，
ｎ 为 硅 的折 射 率 。 ：
ｆ三维表面图 ａ ） ｆ） ｂ平面图 图 ３太赫兹波在光子晶体光纤中能量分布 （／ ０９ ） ｄＡ＝ ． ５ 泄漏损耗是传输损耗 的一个主要 因素 ， 它是 由传 播常数 Ｂ出现虚 部造成 。泄漏损耗计算式可表示为 Ｌ＝２ ｘ ．８ ｘｍ（ｅ） Ｉ ＂ ８６ ６ ｌ ｎ ｆ ￣ ｆ
０ ０ ２ Ｂ／ ． ０１ ｄ ｍ。
结 论
图 ｌ太赫兹波导光子晶体 光纤孔层数 Ｎ ７ 空气孑 间距 Ａ＝ ５ ｍ，ｌ１ ｎ＝ ．８ ＝， Ｌ ７ ｔ ｎ ，２３ 。 ｘ ＝ ４ 固定空气孔 间距 Ａ， 改变空气孔直径 ｄ 分析空气孔直径与空气 孑 间距 ， Ｌ 比 值 分 别 为 ｄＡ＝０４和 ｄＡ＝ ．５时 太 赫 兹 波 在 光 子 晶体 光 纤 中 能量 ｄ ． ／ ０９
直径 ｄ 逐步增加 ， 能量越集 中于纤芯区 ， 太赫兹波传输损耗越小 。
八
（） １
（） ２
ｆ ： ｆ －
ｋｏ
竹
式 中 是 波 长 。 当 ｆ０１ Ｈ ， Ｌ ＝ ． ｚ 孑 间距 Ａ： ５ｘ 空气 孔层数 Ｎ＝ ， Ｔ ７１ ｍ， ７ 太赫 兹波在 光子
晶体光纤 中损耗特性在 ｄＡ＝ ． ，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗 ， ０４时 为 ０ ０ ３ Ｂｍ ． １ｄ ／ 。在 ｄ ＝ ． 时 ，太赫 兹波在光子 晶体光纤 中损耗 为 ０ ／ ０５ Ａ ９
本文提出了基 于六边形结构光子晶体光纤太赫兹波导 。在传输频 率为 ｆ０ Ｔ ｚ 占空比 ｄ ＝ ． ， ＝． Ｈ， １ ／ ０ ５ 空气孔 间距 Ａ ７ １ Ａ ９ ＝ ５ ｍ时 ， ￣ 最小 传输损 耗为 Ｏ ０ ２ Ｂ ． １ｄ ／ ０ ｍ。研究结果 表明选择合适的参数可以设计 出具有低传 输损耗的太赫兹光子 晶体波导。
性结构 ， ＝ 层中心原空气孔缺省而形成纤芯。Ａ为空气孔间距 ， 芷 ｄ为空 气孔直径 ，， ｄＡ为相对 径 ， Ｌ Ｎ为包层 空气孔层数 ， 。 ｎ 为空气 的折射 率 ，
ｎ 为 硅 的折 射 率 。 ：
ｆ三维表面图 ａ ） ｆ） ｂ平面图 图 ３太赫兹波在光子晶体光纤中能量分布 （／ ０９ ） ｄＡ＝ ． ５ 泄漏损耗是传输损耗 的一个主要 因素 ， 它是 由传 播常数 Ｂ出现虚 部造成 。泄漏损耗计算式可表示为 Ｌ＝２ ｘ ．８ ｘｍ（ｅ） Ｉ ＂ ８６ ６ ｌ ｎ ｆ ￣ ｆ
０ ０ ２ Ｂ／ ． ０１ ｄ ｍ。
结 论
图 ｌ太赫兹波导光子晶体 光纤孔层数 Ｎ ７ 空气孑 间距 Ａ＝ ５ ｍ，ｌ１ ｎ＝ ．８ ＝， Ｌ ７ ｔ ｎ ，２３ 。 ｘ ＝ ４ 固定空气孔 间距 Ａ， 改变空气孔直径 ｄ 分析空气孔直径与空气 孑 间距 ， Ｌ 比 值 分 别 为 ｄＡ＝０４和 ｄＡ＝ ．５时 太 赫 兹 波 在 光 子 晶体 光 纤 中 能量 ｄ ． ／ ０９
用于太赫兹波传输的低损耗_高双折射光纤研究_付晓霞
这样会增大 模 式 的 吸 收 损 耗； 同 时， 两个偏振模的 从 而 导 致 光 纤 双 折 射 的 减 小 ． 因 此， 差别也会减小， 从损耗和双 折 射 角 度 考 虑， 环 宽 应 取 得 小 一 点． 但 另一方面， 环 宽 太 细 会 导 致 光 纤 的 制 作 困 难， 同时
074222-3
［15］ 射率 n x 和 n y 可以表示为
4. 2. 纤芯结构分析 下面我们考察在层周期固定的情况下， 材料层的 厚度变化对模式特性的影响 ． 图 6 给出了当环宽 a = 10 μm ， 圆管直径 c = 340 μm 时， 不同周期下材料层厚 度与模式损耗的关系曲线 ． 显然， 材料层越厚， 模式的 传输损耗也会越大， 这是因为材料层的增厚使光在材 料中传输的比例提高， 从而使传输损耗增加 ． 另一方 面， 光纤的双折射随材料层厚度的增加是先增大， 达 到极值后， 又开始减小， 如图 7 所示 ． 我们知道， 层状 光 纤 的 双 折 射 主 要 来 源 于 由 材 料层和空气层组成 的 具 有 二 阶 对 称 性 的 纤 芯 结 构 ． 显然， 材料层过薄或 过 厚 都 会 导 致 两 偏 振 模 的 场 分 布差别变小， 从而使 其 双 折 射 变 小 ． 从 图 7 可 知， 不 同周期 下， 光 纤 的 最 大 双 折 射 值 是 相 近 的， 都在 0. 08 左右， 这个值远大于之前报道的光纤的双折 射
ห้องสมุดไป่ตู้
PML 层 的 厚 度 取 为 50 μ m． PML 层 间距为 650 μ m ， 的作用是将辐射到 光 纤 边 界 上 的 能 量 吸 收 掉， 减少 由 能量在边界 的 反 射 ． 求 解 得 到 光 纤 的 模 式 以 后， 模式的有效折射率 可 以 获 得 光 纤 的 双 折 射 ． 其 计 算 公式为
太赫兹波在二维光子晶体波导中的传输特性研究
会议论文太赫兹波在二维光子晶体波导中的传输特性研究Ξ黄小琴, 陈鹤鸣(南京邮电大学光电工程学院, 光通信研究所, 南京210003摘要:首先用平面波展开法(PWM 计算了二维光子晶体的能带结构, 然后提出了适合TH z 波传输的光子晶体波导模型, 并采用时域有限差分法(FD TD 研究了TH z 波在这种波导中的传输特性。
在波导的输入输出口采样场值经过傅立叶变换以后进行比较, 结果很合理。
分析结果表明, 位于光子晶体禁带内的TH z 波在这种波导中的传输是几乎没有损耗的, 这为开发性能优良的TH z 器件提供了理论依据。
关键词:光子晶体; TH z 波器件; 平面波法; 中图分类号:O 441. 4文献标识码:A 2 20243203S tudy on the T ra nsm of Te ra he rtz W a ve in 2DC rys ta lW a ve guideHUAN G X iao 2qin , CH EN H e 2m ing(Colleg e of Op toelectron ic E ng ineering , Institu te of Op tica l T eleco m m un ica tions ,N anj ing U n iversity of P osts and T eleco m m un ica tions , N anj ing 210003, CH NAbstract :A t first , the band gap p roperty is investigated by u sing p lane w ave m ethod (PWM . A new typ e of w avegu ide m odel is designed . T hen the tran s m issi oncharacteristic of ter 2ahertz in th is k ind of w avegu ide is studied by m ean s of the fin ite difference ti m e dom ain m ethod (FD TD si m u lati on . Fou rier tran sfo r m ing fo r the field sam p led in the i m pu t o r ou tpu t of the w avegu ide is p erfo r m ed . T he com p arison show s that the resu lts are qu ite reasonab le . T he re 2search resu lts show that the TH z w ave , w ho se frequencies are in the pho ton ic band gap (PB G , can tran sfer w ith no lo ss in th is k ind of w avegu ide . T h is research p rovides a theo retic basis fo r the developm en t of TH z devices .Key words :pho ton ic crystal ; TH z devices ; PWM ; FD TD引言光子晶体是一种折射率呈周期变化的新型微结构材料[1], 因受到布拉格散射而成能带结构, 能带间有带隙存在。
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第28卷 第11期光 学 学 报Vol.28,No.11
2008年11月ACTAOPTICASINICANovember,2008
文章编号:025322239(2008)1122057205
介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性
汤晓黎 石艺尉(复旦大学通信科学与工程系,上海200433)摘要 理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性。金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式。对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1mm
的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4dB/m和2dB/m。为优化介质/金属结构空芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响。基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择。关键词 光波导;太赫兹空芯光纤;模式结构;传输特性中图分类号 TN252 文献标识码 A doi:10.3788/AOS20082811.2057
TransmissionCharacteristicsofDielectric2CoatedMetalHollowFiberforTerahertzWave
TangXiaoli ShiYiwei(DepartmentofCommunicationScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China)
Abstract Transmissioncharacteristicsandmodestructureofbothmetalhollowfiberanddielectric2coatedmetalhollowfiberforterahertzwavearestudied.TheoreticalevaluationshowsthattheTE11modeisdominantinmetalhollowfiberandhashighcouplingefficiencywhenalinearlypolarizedlightsourceislaunched.HE11modeismainlysupportedindielectric2coatedmetalhollowfiberwithanoptimumthicknessforthedielectricfilm.ThetransmissionlossoftheTE11andHE11modeis8.4dB/mand2dB/mrespectivelyatthewavelengthof200μmforthehollowfiberswith1mmboresize.Theeffectsofopticalconstantsofmetalsanddielectricmaterialsonattenuationcoefficientarealsodiscussedtooptimizethetransmissionperformanceofdielectric2coatedmetalhollowfiber.Aluminumisthebestchoiceamongthecommonly2usedmetalsbasedonpublishedopticalconstants.Theoptimumvaluefortherefractiveindexofthedielectricfilmis1.41.Accordingtotheprimarymeasuringresults,polyethyleneisaproperchoiceasitsrefractiveindexis1.51anditbringslowabsorptioninterahertzwaves.Keywords opticalwaveguide;terahertzhollowfiber;modestructure;transmissioncharacteristic
收稿日期:2008201210;收到修改稿日期:2008205222
基金项目:浦江人才计划(07PJ14012)资助课题。作者简介:汤晓黎(1981-),女,博士研究生,主要从事太赫兹光波导等方面的研究。E2mail:tangxiaoli@fudan.ac.cn
导师简介:石艺尉(1963-),男,教授,博士生导师,主要从事光波导等方面的研究。E2mail:ywshi@fudan.edu.cn
1 引 言太赫兹(Terahertz,THz)通常是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波[1],其波段位于电磁波谱中的微波和红外之间。THz辐射在很多领域,
如传感、成像、光谱学和医学都有应用的潜力[2,3]。对于THz波导的研究尚处于实验室研究阶段。空芯光纤,作为THz波导的一种,具有结构简单、无端口损耗等优点,在传输激光时将激光束缚在光纤内,
具有很好的安全性。目前,文献报道的THz空芯光
纤可分为四类:1)金属管空芯光纤[4,5],该结构空芯
光纤由于金属管内壁粗糙,传输损耗大,一般用来短距离传输THz波(厘米级);2)介质管空芯光纤[6],
虽然相比前一种空芯光纤,该结构空芯光纤损耗小,
柔韧性好,但是弯曲造成的附加损耗较大;3)介质基管内镀金属膜的空芯光纤,我们称之为金属空芯光纤。当金属膜厚大于趋肤深度时,这种结构的空芯光纤在传输原理上和第一种是相同的。但是由于金属膜表面比金属管内壁光滑,金属空芯光纤的传输光 学 学 报28卷损耗比第一种空芯光纤要小。由于采用了介质材料作为基管,该结构空芯光纤的柔韧性也比较好。金属空芯光纤在THz波段支持TE11模的传输。金属空芯光纤[7,8]的研究成果表明,内径3mm的镀铜空芯光纤在波长158.31μm处损耗为3.9dB/m。内径1mm的镀银空芯光纤,在190～250μm波段损耗为7.5～8.0dB/m。实验测得,当光纤以15cm为半径弯曲90°时,弯曲造成的附加损耗小于0.5dB;4)介质基管内镀介质膜和金属膜的空芯光纤,我们称之为介质/金属空芯光纤,这是本文的研究重点。介质膜增加了金属表面的反射率,从而大大降低了光纤的传输损耗。文献[9]报道了镀银聚苯乙烯空芯光纤,当聚苯乙烯(Polystyrene,PE)膜厚取最优值时,该光纤支持HE11模的传输。实验测得内径2mm,长度90cm的镀银聚苯乙烯空芯光纤在119μm处的损耗为0.95dB/m。本文首先从理论上分析了金属、介质/金属空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性,说明介质/金属空芯光纤的传输损耗小于同尺寸的金属空芯光纤。接着分析了采用不同金属和介质材料对介质/金属空芯光纤损耗的影响,得到了金属和介质材料的选择标准。最后,用THz电磁波参变振荡器(THz2waveparametricoscillator,TPO)测量了几种介质在波长200μm处的吸收情况。2 阻抗关系和模式结构理论分析表明,空芯光纤的归一化表面阻抗和空气的归一化阻抗在不同的情况下支持不同的模式,表1总结了三种阻抗、导纳关系下的空芯光纤模式结构[10]。表1空芯光纤阻抗关系和模式结构Table1SurfaceimpedancecasesandmodestructureofholowfiberSurfaceimpedancecasesModeCase1ZTEνZ0,YTMνY0TE0q,HEpq,EHpq,TM0qCase2ZTEνZ0,YTMµY0TE0q,TEpq,TMpq,TM0qCase3ZTEµZ0,YTMνY0TE0q,TEpq,TMpq,TM0q 表中ZTE、YTM分别为空芯光纤的表面归一化阻抗、导纳,Z0、Y0分别为空气的归一化阻抗、导纳:Z0=Y0=n0k0Tμ0,(1)式中n0为空气折射率,k0为电磁波在空气中的波数,T为空芯光纤内半径。当ZTEνZ0时,μ0的值为Bessel函数J1(x)的第一个零点;否则,μ0为Bessel函数J
0(x)
的第一个零点。
3 空芯光纤的传输特性3.1 金属空芯光纤对于金属空芯光纤
ZTE=1υ2-1, YTM=υ2υ2-1,(2)其中υ=n-jk,为金属的折射率。图1为内径1mm
镀金空芯光纤的阻抗特性。从图1可以看出,在λ<
10μm红外波段,镀金空芯光纤阻抗关系满足Case1。在THz波段,阻抗关系满足Case2。因为对于一般的金属,在THz波段n和k的数量级都为10
3
,满足
υµ1,那么ZTE∆(n-jk)-1、YTM∆n-jk,而对于内
径1mm的空芯光纤,Z0、Y0的数量级为100。由表1
可知,阻抗关系满足Case2的空芯光纤支持TE模和TM模。
图1内径1mm镀金空芯光纤阻抗特性Fig.1NormalizedimpedanceandadmittanceofAu2coatedhollowfiberwith1mmboresize
图2内径1mm镀金空芯光纤在THz波段的传输特性Fig.2TransmissioncharacteristicsofAu2coatedhollowfiberinterahertzwaveregionwith1mmboresize
图2计算了内径1mm的镀金空芯光纤中几个低阶模的损耗。图2中TE01模虽然损耗最低,但是它与线性偏振的光源耦合效率很低,而且在柱形波
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