有效傳導太赫茲波的分隔式矩形波導詳細介紹

　　波導將成為許多太赫茲光學系統(tǒng)中的重要元件。然而，傳統(tǒng)的基于全內(nèi)反射（TIR）工作原理的固體光波導的損耗極高。由于太赫茲輻射在干燥空氣中傳輸時損耗很小，因此具有高折射率管壁材料的空心光導管（例如空心光子晶體光纖）似乎是個理想的選擇。然而實驗證實：制作這種具有較低傳輸損耗和低群速度色散的光導管難度很大。細的金屬線能夠以較低的損耗及較低的群速度色散傳導太赫茲波1。當微波輻射在具有有限電導率的金屬線中傳輸時也會出現(xiàn)這種效應，稱為“索末菲波”2。索末菲線的一個缺點是：電場沿徑向分布極大擴展；另一方面，由于索末菲線具有較好的傳輸特性，它已經(jīng)成為太赫茲波通過波導傳輸?shù)臉藴省?/p>

　　如今，亞琛工業(yè)大學（RWTH，位于德國的亞琛市）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型波導。它可以使太赫茲波高度受限，并且傳輸損耗及群速度色散較小。研究人員研究了太赫茲波在兩片被窄（亞波長）空氣隙分隔的相互平行的矩形介電平板中的傳輸，并將這種波導命名為“分隔式矩形波導（SRW）”。此外，他們還研究了太赫茲波在填充空氣的管狀介電波導（TW）中的傳輸。兩種裝置都靠全反射實現(xiàn)傳輸，但大部分的太赫茲波分別在無損耗的空氣隙（SRW波導）及管芯（TW波導）中傳輸3。根據(jù)麥克斯韋方程，電位移矢量的法向分量在兩種電介質(zhì)的交界處保持不變。這意味著電場強度矢量的相應分量從電介質(zhì)到空氣中會急劇增加，從而使光功率集中于該區(qū)域4。

　　研究人員對兩種結構波導中的電場進行數(shù)值模擬計算，并將波印亭矢量z分量的空間分布繪制出來（見圖1）。他們選用硅作為SRW的平板材料。硅在太赫茲波段的折射率為3.417，并且在0.7THz處耗散因數(shù)為0.00001。此外，他們選用熔融石英作為 TW的管壁材料。熔融石英的折射率為1.95，在0.5THz處耗散因數(shù)為0.001。兩種結構中，波印亭矢量的z分量在折射率較低的內(nèi)部達到最大值。SRW中，研究人員保持平板高度、寬度以及空氣隙寬度的比值為1:1.6:5，通過改變SRW的高度，他們發(fā)現(xiàn)：當平板高度達到90μ時，總功率的55%被限制在空氣隙中，僅有25%的功率在高折射率材料平板中傳輸。TW中的數(shù)值模擬表明：固定外徑與內(nèi)徑的比值為2:1，當外徑（半徑）值達到175μ時，空氣管中傳輸?shù)墓夤β蔬_到最大值26%。

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