低損耗亞波長塑料光纖的太赫茲波導

翟玉翠

（中國人民武裝警察部隊警官學院數理系，四川成都 610000）

低損耗亞波長塑料光纖的太赫茲波導

翟玉翠

（中國人民武裝警察部隊警官學院數理系，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線，用它來傳導太赫茲波，具有較低的損耗常數。當波長對光纖的比率大時，在高損耗導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。在實驗中，我們采用了一種直徑200um的聚乙烯纖維來傳導頻率近0.3THz太赫茲波，它的損耗常數被減小到甚至低于0.01cm-1。我們可以通過一個偏軸拋物面鏡來獲得高達20%的自由空間耦合效率。另外，這種塑料導線很容易獲得，不需要復雜而昂貴的制備。

塑料光纖；太赫茲；波導

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峻問題。因此，現在幾乎所有的太赫茲應用系統的設置都是用平面的或彎曲的金屬反射鏡制造的，使得系統很死板，而且容易受到外界環境的影響。要想有一個適合各種應用程序的緊湊可靠并靈活的太赫茲系統，就必須要有一個低損耗的太赫茲波導。我們發現了一種類似于光纖的簡單的亞波長直徑塑料導線，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線。當波長對光纖的比率小時，大部分太赫茲波將被導出高損耗導線以至于損耗常數被成功減小到甚至低于0.01cm-1，而當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20%。我們提出了利用直接耦合的方法，利用當前的太赫茲系統很容易集成太赫茲光纖，從而提高系統的靈活性和可靠性。

為了簡化分析傳導多種亞波長太赫茲光纖，我們假設這些塑料導線具有空氣包層光纖的幾何性質，有一個圓形的界面，一個統一的半徑a，和一個突變的內折射率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n2=1。通過求解上述參數的麥克斯韋方程，可以求出一個貝塞爾函數形式的表達式。然而，由于在太赫茲領域缺少一種不透明的材料，所有限制在電介質導線中的模式都將被材料吸收，導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線。為了計算導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。可以觀察到導出PE導線的那部分能量隨著導波頻率的增加而增加。通過下面的式子可以得出導線內那部分能量的η值：

這個η值可以粗略估計受導線吸收影響的有效光纖損耗常數。當采用小直徑塑料光纖時，損耗常數將接近于空氣包層的損耗常數，這個時候η就會比較小，當損耗常數近似于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，在太赫茲領域內的亞波長塑料導線，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αf，其中τ是垂直于光纖軸的無限大平面，σ是電導率，它與材料的吸收常數有關。對于塑料導線，它的電導率是一個關于折射率n1和塑料的吸收常數的函數，αm可以表示成σ=n1cαm/4π。對于空氣包層，它的電導率接近于零，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，它的曲線圖如上圖的曲線所示，其中假設αm=1cm-1。

我們用亞波長太赫茲光纖的PE導線，因為PE具有相對較低的αm值，在太赫茲波段沒有強的吸收譜。光子發射器的太赫茲波輻射是通過光學相干控制系統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。金屬錐是用來調整檢測窗口，使它變成一個小孔以防止被檢測波的擴散。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點。因為它的直接耦合功能，所以具有當前太赫茲集成系統的潛在優勢，也可以應用于消散波光纖的感應。由于這種光纖的弱導波性，傳播損耗被成功的減小了。

TN252

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1003-5168(2014)04-0068-01