TIR—PPCF的太赫茲波傳輸特性

摘要 設計了基于全內反射原理的實芯塑料光子晶體光纖（TIR—PPCF），其晶格結構為三角形。利用時域有限差分法（FDTD）計算了TIR—PPCF在太赫茲（THz）波段的色散、損耗等特性。計算結果表明TIR—PPCF在波長60—65μm（4.6—5THz）范圍內可以實現THz波的低色散和低損耗的傳輸。且當空氣孔直徑（d）與晶格常數（Λ）的比為0.5時，色散變化為0.12ps/（km·nm），最小損耗值為1.1dB/km。該結構的TIR—PPCF相對于其它結構的THz波傳輸線具有更平坦的色散特性和更低的損耗特性。

關鍵詞 塑料光子晶體光纖；THz波；時域有限差分

中圖分類號：O4 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095—3089（2012）07—0004—02

1.引言

由于THz技術的飛速發展，迫切需要具有良好束縛能力且低色散和低損耗的THz波傳輸線。世界各國已經開始對THz波導進行研究，如美國的Rice大學研究的金屬波導傳輸線實現了THz波的低色散和低損耗的傳輸[1]， 韓國浦項科技大學研究小組在Applied Physics Letters報道中選用塑料作為光子晶體光纖的介質在THz波段得到低損耗的傳出特性[2]。我國的南京郵電大學光通信研究所研究的光子晶體光纖也實現THz波了低色散和低損耗的傳輸 [3—4]。由于光子晶體光纖（PCF）獨特的波導結構，使其具有無盡單模、色散特性可調等優點。光子晶體光纖根據導光原理的不同分為兩種，一種是全內反射（Total Intemal Reflection，TIR）光子晶體光纖，另一種是光子帶隙（Photonic Band Gap，PBG）光子晶體光纖[5]。由于PBG—PCF對于空氣孔排列的精準度有比較高的要求，所以對制作工藝要求較高。大部分光纖是以石英為材料的，但是THz波在以石英為介質的光子晶體光纖中傳播的損耗是非常大的。經研究人員發現以塑料為介質的光子晶體光纖可以實現THz波的低損耗和低色散的傳輸。而且塑料具有良好的柔韌性，融化溫度也很低，便于實際生產。

文章設計了一種以塑料為介質的三角形晶格實心光子晶體光纖，計算了該光纖在60—65μm（4.6—5THz）的太赫茲波段的傳輸特性，并比較了該結構與其它THz傳輸介質的傳輸性能。

2.物理模型及計算方法

本文設計的TIR—PPCF，結構如圖1所示，其中d為空氣孔直徑，Λ為晶格常數，占空比d/Λ=0.5，Λ=50μm。圓孔為空氣孔，光纖的塑料介質折射率n=1.534。利用時域有限差分法（Finite—Difference Time—Domain， FDTD） [6—7] 計算光纖的色散特性和損耗特性，可簡單描述為把所研究的空間沿x軸、y軸和z軸分成很多個網格單元（Δx，Δy，Δz），也就是Yee提出的差分格式，再將Maxwell方程的兩個旋度方程在Yee提出的網格上作時間導數和空間導數的中心差分近似，然后代入到麥克斯韋方程，再利用完全匹配層（PML）吸收邊界條件得到能量分布，然后進行傅立葉變換計算出電場分布與頻率的關系，得出色散曲線。

3.結果分析與討論

討論的入射光波長在60—65μm范圍內，分別選取晶格常數Λ=40μm，Λ=45μm，Λ=50μm，Λ=55μm，Λ=60μm，Λ=65μm，然后在針對不同的晶格常數，分別計算和討論占空比d/Λ=0.5，d/Λ=0.55和d/Λ=0.6時THz波在TIR—PPCF中傳輸的色散變化范圍和最小損耗值，計算結果如圖2所示。由圖2可知對于60—65μm的THz波，當Λ的值一定時，隨著d的減小，設計的TIR—PPCF的色散變化范圍和最小損耗值都在減小。圖3給出了當Λ=50μm、d/Λ=0.5時，THz波在設計的TIR—PPCF中傳輸的色散變化和損耗特性，可見最小色散變化范圍為0.12ps/（km·nm），最小損耗值為1.1dB/km。圖4給出了THz波的模場分布圖，可見可以很好的將該波段的THz波束縛在纖芯內傳播。表1給出了本文設計的TIR—PPCF與參考文獻中的波導結構在色散變化值和最小損耗值上的比較，由表1可以看出設計的TIR—PPCF具有更低的色散和損耗特性。

4.結論

利用FDTD方法計算分析了基于全內反射原理的TIR—PPCF在60—65μm（4.6—5THz）波段內，THz波的傳輸特性。當d/Λ=0.5，且Λ=50 m時，TIR—PPCF的色散變化值為0.12ps/（km·nm），最小損耗值為1.1dB/km，并且具有很好束縛THz波的能力，色散和損耗特性及模場分布都優于金屬傳輸線和PBG—PPCF。

參考文獻

[1]K.L.Wang， D.M.Mittleman. Metal wires for terahertz waveguiding[J]. Nature，2004， 432

[2]H.Han，H.Park，M.Cho.Terahertz Pulse Propagmion in a Plastic Photonic Crystal Fibers[J].Appl.Phys.Lett，2002. 80（1 5）：2634～2636