太赫兹波段超高偏振损耗比低损耗单偏振空心反谐振光纤的设计与研究

研究人员针对太赫兹波段光纤传输中偏振控制难题，创新设计了一种基于高阻硅(HRS)的非对称双嵌套半椭圆管空心反谐振光纤(HC-ARF)。通过X轴渐变壁厚/Y轴均匀壁厚的双层结构，实现了X偏振基模(FM)损耗9.07 dB/m与Y偏振FM超低损耗2.59×10?5 dB/m的突破性性能，偏振损耗比(PLR)达349,318，在0.98-1.02 THz带宽内PLR>100，为太赫兹通信与传感提供了高性能单偏振光纤解决方案。

　　

太赫兹技术的"偏振守卫者"：超高性能单偏振光纤的突破

在太赫兹(THz)波段这个介于微波与红外之间的特殊电磁窗口，科学家们正解锁着成像、通信、生物医学检测等领域的全新可能。然而这个"黄金波段"却面临着一个基础性挑战——传统光纤中偏振态的不可控性会导致信号串扰和模式色散，就像试图用漏水的管道输送珍贵药液。尤其在医疗检测和军事通信等场景中，偏振纯度直接决定着系统的信噪比和可靠性。现有的聚合物基单偏振光纤虽有一定效果，但材料吸收系数高达0.276 cm^?1
，导致损耗居高不下，偏振损耗比(PLR)普遍低于200，难以满足实际需求。

针对这一瓶颈，黑龙江某高校的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用高阻硅(HRS)材料，设计出具有非对称双嵌套半椭圆管结构的空心反谐振光纤(HC-ARF)。这种结构在X轴方向通过外管渐变壁厚(0.039-0.1 mm)与内管均匀壁厚的协同设计，将X偏振基模(FM)损耗提升至9.07 dB/m；同时在Y轴方向采用均匀壁厚双管结构，使Y偏振FM损耗降至2.59×10^?5
dB/m的极低水平，最终实现PLR高达349,318的惊人性能，在0.98-1.02 THz范围内保持PLR>100的稳定工作带宽。

关键技术方法
研究采用有限元法模拟光纤模式特性，通过调节半椭圆管主轴半径(r_a
=3.05 mm)和椭圆度(u=r_b
/r_a
)优化结构参数。利用共振条件公式f_c
=mc/(2t√(n²
-1))精确计算X/Y轴方向的共振频率，其中HRS折射率n=3.417。通过对比渐变壁厚与均匀壁厚结构对基模损耗的影响，验证了非对称设计的优越性。

结构设计
如图1所示，X轴方向的双层半椭圆管结构中，外管采用从t₀
=0.039 mm到t₂
=0.1 mm的渐变壁厚，内管保持均匀厚度。这种设计使X偏振FM满足共振条件而剧烈衰减，而Y轴方向的均匀壁厚双管则维持抗共振状态，确保Y偏振FM的低损耗传输。

性能验证
在1 THz工作频率下：

• X偏振FM损耗达9.07 dB/m，比文献报道的聚合物光纤提升近2倍
• Y偏振FM损耗仅2.59×10^?5
  dB/m，较Ankan等设计的结构降低5个数量级
• PLR值349,318是Mollah等报道结果的26,870倍
• 工作带宽覆盖0.98-1.02 THz，满足实际应用需求

结论与展望
该研究通过创新的非对称渐变壁厚设计，突破了太赫兹波段单偏振光纤的性能极限。相比传统聚合物材料，高阻硅基光纤将PLR提升至34万量级，同时保持超低本征损耗。这种设计为太赫兹偏振滤波器和保偏光纤提供了新范式，在精密传感、量子通信等领域具有重要应用价值。Qiang Liu和Xiaotian Yao等作者特别指出，该结构可通过调节椭圆管几何参数适配不同频段需求，为下一代太赫兹功能光纤开辟了可扩展的设计思路。