硅光子晶體光纖中太赫茲波的衰減特性分析 (圖文)_2

1、硅光子晶體光纖中太赫茲波的衰減特性分析 (圖文)論文導讀：當f=0.1THz，孔間距=75m，空氣孔層數(shù)N=7，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗特性在d/=0.4時，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗為0.0013dB/m。在d/=0.95時，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗為0.0012dB/m。本文提出了基于六邊形結構光子晶體光纖太赫茲波導。關鍵詞：太赫茲波，波導，光子晶體，衰減引言太赫茲波是指頻率范圍在0.1THz10THz之間的電磁波。近些年來，隨著太赫波源和太赫茲波探測取得的一系列進展，使太赫茲在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動通訊等方面具有廣闊的應用背景。由于太赫茲波在自由空間中

2、的傳輸損耗很大，太赫茲能否廣泛應用的關鍵在于能否獲得低損耗傳輸波導。國內外對太赫茲波導開展了有關研究，如美國Rice大學M.Mittleman1實現(xiàn)了低色散的不銹鋼金屬波導傳輸。Hidaka等2用鐵電聚合物聚材料設計了空心波導，該波導的傳輸損耗為1.5m-1。R.Mendis等3制作了太赫茲波塑料光纖。如何實現(xiàn)低損耗太赫茲波導依然是當前太赫茲波研究熱點。本文提出一種具有點缺陷的光子晶體光纖作為太赫茲傳輸波導，通過有限元法計算分析，獲得該太赫茲光子晶體波導的衰減為0.0012dB/m，具有傳輸性能好、尺寸小和便于集成等優(yōu)點。一、結構設計太赫茲光子晶體波導結構如圖1所示。材料為電阻率10k.cm的

3、硅，截面分為包層區(qū)和芯區(qū)，包層為均勻空氣按六邊形排列形成周期性結構，芯層中心原空氣孔缺省而形成纖芯。為空氣孔間距，d為空氣孔直徑，d/為相對孔徑，N為包層空氣孔層數(shù)，n1為空氣的折射率，n2為硅的折射率。圖1 太赫茲波導光子晶體光纖截面二、理論模擬計算中最大空氣孔層數(shù)N=7，空氣孔間距=75m，n1=1，n2=3.48。固定空氣孔間距，改變空氣孔直徑d，分析空氣孔直徑與空氣孔間距比值分別為d/= 0.4和d/=0.95時太赫茲波在光子晶體光纖中能量的傳輸情況。圖2為d/=0.4時，太赫茲波在光子晶體光纖中能量分布。論文發(fā)表。從圖2(a)和(b)可見，大部分能量集中于光子晶體光纖的纖芯中，但是也

4、有一部分能量分布在距光子晶體光纖纖芯最近的一排空氣孔的周邊，能量泄漏明顯。論文發(fā)表。圖3為d/=0.95時太赫茲波能量在光子晶體光纖中分布。論文發(fā)表。從圖3(a)和(b)可見，當d/=0.95，較d/=0.4的太赫茲波能量更加集中于光子晶體光纖的纖芯區(qū)。從圖2和圖3可以看出，隨著空氣孔直徑d逐步增加，能量越集中于纖芯區(qū)，太赫茲波傳輸損耗越小。（a）三維表面圖（b）平面圖圖2太赫茲波在光子晶體光纖中能量分布（d/=0.4）(a)三維表面圖(b)平面圖圖3太赫茲波在光子晶體光纖中能量分布（d/=0.95）泄漏損耗是傳輸損耗的一個主要因素，它是由傳播常數(shù)出現(xiàn)虛部造成。泄漏損耗計算式可表示為（1）（2

5、）式中是波長。當f=0.1THz，孔間距=75m，空氣孔層數(shù)N=7，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗特性在d/=0.4時，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗為0.0013dB/m。在d/=0.95時，太赫茲波在光子晶體光纖中損耗為0.0012dB/m。三、結論本文提出了基于六邊形結構光子晶體光纖太赫茲波導。在傳輸頻率為f=0.1THz，占空比d/=0.95，空氣孔間距=75m時，最小傳輸損耗為0.0012dB/m。研究結果表明選擇合適的參數(shù)可以設計出具有低傳輸損耗的太赫茲光子晶體波導。參考文獻1K.L.Wang, D.M.Mittleman. Metal wires for terahertzwaveguidingJ. Nature,2004, 4322 T. Hidaka, H.Minamide, H. Ito, et al. Ferroelectric PVDF cladding terahertz waveguideJ. J.Lightwave Technol