多孔核心光子晶体光纤引导偏振保持太赫兹波
高度双折射和接近零色散平坦的光子晶体光纤为低损耗成像和传感应用提供太赫兹波。
光子晶体光纤（PCF）也称为微结构光纤（MOF） ，是一类不同类型的光纤，特别适用于传感，生物医学成像，时域光谱学，安全性，DNA杂交和癌症检测领域的应用，并在光通信。 与传统光纤不同，PCF提供高双折射和可控色散。
实芯PCF经历大量材料损失，不适用于太赫兹信号传输，而空心PCF限制电磁波的传播距离较短，并具有与光纤的直径和弯曲半径成反比的高的弯曲损耗。 由于这些不合需要的特征已经减缓了对固态和中空芯PCF的接受度，多孔芯纤维已经被开发出来。
我们在阿德莱德大学的团队专注于多孔芯PCF，其中包含工程数量的微结构气孔，允许设计人员控制全球光纤参数，如气孔大小，间距（中心到中心之间的距离气孔），芯径和气孔形状。 反过来，诸如有效材料损失，双折射，分散，约束损失，数值孔径和其它模态特性的操作参数可以通过设计获得，如应用要求所规定的。
PCF作为波导
波导的主要功能是以期望的波长传输具有尽可能低的传输损耗和接近零色散的电磁辐射。 在过去的十年中，已经设计和研究了许多波导结构以实现电磁波的高效可靠传输。
最初，太赫兹电磁波由金属波导引导。 各种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事实; 圆形金属波导衬底导致高介电损耗; 束在非导向介质中扩散会导致平行板波导中的发散损失; 并且由于模式对结构的约束很弱，所以发生裸金属波导中的辐射损耗。 用于太赫兹传输的更好选择是光纤电介质波导。
减少传输损失
考虑到PCF的优点，许多波导结构被设计用于电磁波的低损耗传输（。
为降低电磁（特别是太赫兹）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纤芯（a），改性六边形包层中的混合纤芯（b），旋转（c）中的六角形核心以及kagome包层中的菱形核心（d）。
通过（a）六边形包层和混合结构核心，可以显着降低由PCF背景中使用的散装材料引起的材料吸收损失; （b）改进的六边形包层，其中去除每个边缘的气孔，减少损失并改善双折射; （c）具有旋转六角形芯的圆形包覆PCF波导; 和（d）kagome包覆的PCF，比其他竞争性PCF结构减少约束损失3-4倍。 1
后者的kagome 配置比其他报道的包层结构减少了3-4倍的损耗。 原因是kagome包层能够在芯体内部收集更多的光线，并限制光线进一步朝向包层。
高双折射
对于偏振保持应用，PCF需要在x和y极化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来获得高双折射，包括凯格美晶格内的椭圆形和矩形空气孔（见图2）。
高度双折射的基于PCF的波导包括具有椭圆形空气孔芯（a）的kagome包层，具有矩形空气孔芯（b）的kagome包层以及具有椭圆形空气孔阵列的矩形空气孔包层在核心（c）中。
核心中的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，从而改善了双折射。 注意，也有可能使用圆形空气孔产生双折射 - 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
通过用各种分析物代替PCF孔中的环境空气，可将PCF转换成传感器。 通过优化PCF的改进的全内反射（MTIR）机制来改善光线与周围PCF基底材料的相互作用，提高了灵敏度。
例如，如果我们使用水（折射率大约为1.33）作为核心孔内的分析物而不是空气（折射率大约为1.0），则与分析物的光相互作用将更强烈，因为由于较高的折射率导致较强的MTIR的核心比包层。 实质上，核心功率分数增加并且限制损失减少。 请注意，相对灵敏度与核心功率分数成正比，因此，随着核心功率分数的增加，相对灵敏度也会增加。
那么，为什么传感需要PCF双折射？ 考虑到乙醇作为化学分析物，实验表明测量的不确定性随着样品厚度的增加而增加，因为当太赫兹波用作询问波长时，其吸收增加。 但是，如果样品厚度减少太多，由于相互作用深度不够，不确定度也会增加，因此需要在这两个极值之间进行权衡，并计算最佳厚度。
光学常数的标准偏差与样品厚度进行比较。 标准偏差最小的最佳厚度由箭头表示。 通过转向更厚的样品，标准偏差迅速增加到与光学常数值相当的程度。 高频处的标准偏差对厚度增量更敏感，因为高频处的太赫兹射线强度相对较低。
已经证明最小化测量不确定度的最佳样品厚度是（2 / α ），其中α是吸收系数。 请注意，0.2-1.4 THz波段的乙醇吸收系数在20-80 cm -1范围内。 如果考虑α = 20 cm -1 ，这将产生最差的最大厚度2 / α = 2/20 = 0.1 cm = 1 mm。
尽管1mm厚度值相当大，但不确定性与厚度曲线的最小值不是很窄，但合理平坦 - 即将最佳厚度减半不会显着降低不确定度。 因此，我们可以合理地将1mm的值减半，并选择0.5mm作为合适的样品厚度。 当这个0.5毫米的样品在1.4 THz左右进行分析时，现在太赫兹辐射的路径长度有效地为0.05×80 = 4个吸收长度。 这对应于20log衰减，这是可管理的。
众所周知，基于光纤的太赫兹外差检测功率可低至3μW。 这意味着进入光纤的输入太赫兹功率必须> 160μW，这是完全可以实现的。 因为众所周知，基于光纤的外差检测要求本地振荡器的偏振与光纤末端检测到的偏振对齐，所以必须使用保偏光纤，以确保PCF光纤中双折射的需要基于太赫兹传感。
PCF传感器比较
用于感测 多孔芯和空心PCF的 表明，空芯可以提高性能，因为更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，根据所使用的玻璃材料的不同，芯界面会产生传感问题。
在使用外部或内部感应机制的PCF感应中也有选择（见图5）。 在外部传感方法中，分析物通道在等离子体材料之外并且相对容易填充。 相反，空气孔内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孔是困难的。
图5.基于PCF的表面等离子体共振生物传感器可用于外部感测（a）或内部感测（b） 配置。
使用PCF的金属和介电界面之间的表面等离子体共振（SPR）效应也可以创建基于SPR的生物传感器。 通过在光纤芯中掺入金，铜，铁和银等金属，SPR在p-极化光波的电子在金属 - 介电界面之间振荡时起作用。 环境折射率的微小变化改变了共振波长，为医学诊断和测试，抗原抗体相互作用，环境监测，国土安全和食品安全提供了极其灵敏的SPR传感器。 4
迄今为止，诸如毛细管堆积，钻孔和溶胶 - 凝胶方法的PCF制造方法产生圆孔，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方面取得进展。
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项目成果
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