翟玉翠

（中國人民武裝警察部隊警官學(xué)院數(shù)理系，四川成都 610000）

低損耗亞波長塑料光纖的太赫茲波導(dǎo)

翟玉翠

（中國人民武裝警察部隊警官學(xué)院數(shù)理系，四川成都 610000）

本文所述的是一種類似于光纖的簡單亞波長直徑塑料導(dǎo)線，用它來傳導(dǎo)太赫茲波，具有較低的損耗常數(shù)。當(dāng)波長對光纖的比率大時，在高損耗導(dǎo)線中傳遞的那部分能量就會減少，從而降低有效的光纖損耗常數(shù)。在實驗中，我們采用了一種直徑200um的聚乙烯纖維來傳導(dǎo)頻率近0.3THz太赫茲波，它的損耗常數(shù)被減小到甚至低于0.01cm-1。我們可以通過一個偏軸拋物面鏡來獲得高達(dá)20%的自由空間耦合效率。另外，這種塑料導(dǎo)線很容易獲得，不需要復(fù)雜而昂貴的制備。

塑料光纖；太赫茲；波導(dǎo)

太赫茲波的波長在30到3 000um（10到0.1THz）之間，它的高損耗一直是長距離傳輸太赫茲波面臨的一個嚴(yán)峻問題。因此，現(xiàn)在幾乎所有的太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)置都是用平面的或彎曲的金屬反射鏡制造的，使得系統(tǒng)很死板，而且容易受到外界環(huán)境的影響。要想有一個適合各種應(yīng)用程序的緊湊可靠并靈活的太赫茲系統(tǒng)，就必須要有一個低損耗的太赫茲波導(dǎo)。我們發(fā)現(xiàn)了一種類似于光纖的簡單的亞波長直徑塑料導(dǎo)線，可以在單模操作中降低損耗。研究中我們采用了一種直徑200um的聚乙烯（PE）線作為300GHz的亞波長太赫茲波的導(dǎo)線。當(dāng)波長對光纖的比率小時，大部分太赫茲波將被導(dǎo)出高損耗導(dǎo)線以至于損耗常數(shù)被成功減小到甚至低于0.01cm-1，而當(dāng)使用一個偏軸拋物面鏡時，光纖的自由空間耦合效率可以高達(dá)20%。我們提出了利用直接耦合的方法，利用當(dāng)前的太赫茲系統(tǒng)很容易集成太赫茲光纖，從而提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

為了簡化分析傳導(dǎo)多種亞波長太赫茲光纖，我們假設(shè)這些塑料導(dǎo)線具有空氣包層光纖的幾何性質(zhì)，有一個圓形的界面，一個統(tǒng)一的半徑a，和一個突變的內(nèi)折射率n1和外折射率n2。因為空氣作為外表面的覆蓋材料，所以我們假設(shè)n2=1。通過求解上述參數(shù)的麥克斯韋方程，可以求出一個貝塞爾函數(shù)形式的表達(dá)式。然而，由于在太赫茲領(lǐng)域缺少一種不透明的材料，所有限制在電介質(zhì)導(dǎo)線中的模式都將被材料吸收，導(dǎo)致這種光纖相對于金屬光纖的損耗過高。有一種直接的方法既可以改善損耗，又可以確保單模（HE11)操作，就是通過使用一種直徑對波長比率小的亞波長直徑塑料導(dǎo)線。為了計算導(dǎo)線中心的那部分能量，就必須先求出傳播方向（Z方向）上坡印廷矢量Sz。從上圖可以看出，對于直徑200um的PE導(dǎo)線傳播300GHz、500GHz、700GHz以及900GHz的波，我們計算它的空間分布Sz時一般用n1=1.5。可以觀察到導(dǎo)出PE導(dǎo)線的那部分能量隨著導(dǎo)波頻率的增加而增加。通過下面的式子可以得出導(dǎo)線內(nèi)那部分能量的η值：

這個η值可以粗略估計受導(dǎo)線吸收影響的有效光纖損耗常數(shù)。當(dāng)采用小直徑塑料光纖時，損耗常數(shù)將接近于空氣包層的損耗常數(shù)，這個時候η就會比較小，當(dāng)損耗常數(shù)近似于PE材料時，η的值將接近于1。我們采用了一種微擾法來精確估計材料吸收所引起的光纖損耗。我們提出一個合理的假設(shè)，在太赫茲領(lǐng)域內(nèi)的亞波長塑料導(dǎo)線，沿著光纖流動的所有能量比起來，每個傳播波長的損耗很小。我們用這樣一種方法來簡化坡印廷定理，我們通過

這個式子給出光纖損耗常數(shù)αf，其中τ是垂直于光纖軸的無限大平面，σ是電導(dǎo)率，它與材料的吸收常數(shù)有關(guān)。對于塑料導(dǎo)線，它的電導(dǎo)率是一個關(guān)于折射率n1和塑料的吸收常數(shù)的函數(shù)，αm可以表示成σ=n1cαm/4π。對于空氣包層，它的電導(dǎo)率接近于零，因為空氣的吸收率我們可以忽略不計。αf是電磁波頻率的函數(shù)，它的曲線圖如上圖的曲線所示，其中假設(shè)αm=1cm-1。

我們用亞波長太赫茲光纖的PE導(dǎo)線，因為PE具有相對較低的αm值，在太赫茲波段沒有強(qiáng)的吸收譜。光子發(fā)射器的太赫茲波輻射是通過光學(xué)相干控制系統(tǒng)來控制中心頻率的輻射。我們通過一對相同的拋物面鏡（3.82厘米的焦距）將輻射準(zhǔn)直并耦合到光纖的一端。這些光纖都被紙制的光纖耦合器約束在一起。之所以選擇紙作為支持的材料，是因為其在太赫茲波段的低吸收。我們采用了一種特殊的紙來測量太赫茲波長的傳播功率是大于90%的。這個耦合器是受動力矩和傾斜調(diào)整的三維布局的控制。太赫茲能量是通過一種光纖來傳播的，這種光纖是由金屬錐收集并通過一個translation-stage-mounted的硅輻射熱計測量的。金屬錐是用來調(diào)整檢測窗口，使它變成一個小孔以防止被檢測波的擴(kuò)散。我們將一個紙制的光纖輸出支架接到金屬錐的輸入端。穿過紙中心的這個小洞要比光纖芯的橫截面略小，以保證光纖裝備的精密性。

總之，我們展示了一種PE材料的低損耗亞波長太赫茲光纖，它具有便宜且容易獲得的優(yōu)點。因為它的直接耦合功能，所以具有當(dāng)前太赫茲集成系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢，也可以應(yīng)用于消散波光纖的感應(yīng)。由于這種光纖的弱導(dǎo)波性，傳播損耗被成功的減小了。

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1003-5168(2014)04-0068-01