太赫兹波导的进展

太赫兹波导的进展∗

张存林周燕

（首都师范大学北京100037）

摘要: 主要介绍了四种具有代表性的太赫兹波导。在不锈钢金属波导内，频率可高达3.5THz，能量衰减系数小于1cm-1。在聚乙烯塑料条板介质波导内，自由传输的太赫兹波和单个波导模式之间可以得到极好的准光学耦合。板间距为108µm的铜平行板波导，具有无群速度色散、低损耗、单个横电磁模式的传输，其振幅吸收系数与频率相关，反比于板间距。将准光学元件和互联层组合，可以形成横电磁模式的太赫兹平面互联，此互联有可忽略的群速度色散和低损耗的特点。在上述情况中，太赫兹脉冲的有效传输受限于高损耗，或导波的群速度色散。Wang和Mittleman实现了不锈钢金属丝太赫兹波导，这种波导几乎没有色散，衰减低，并且结构相当简单，为太赫兹检测和成像开拓了一个广阔的领域。

关键词：太赫兹；波导；传输

1. 引言

太赫兹（THz）的频率范围通常指0.1~10THz（波长在30µm~3mm），位于微波和红外光之间，属于远红外波段。THz科学和技术的具体应用，比如无损检测、成像和光谱等，已经越来越受到人们的关注。可在许多研究工作中，THz波大多是在大气中传输，水蒸汽的吸收和大气散射造成了THz 能量的大量衰减。为了减少能量损耗，很多研究机构相继开展了THz波传输的深入研究，导波传输是其中最有前途的解决方案之一。但是由于在THz光谱范围内，金属的有限传导率或介质材料的高吸收系数会造成能量高损耗，导波技术还处于初步发展阶段。目前，已经实现的，并且比较有实用价值的波导结构主要有四种：金属波导，介质波导，平行板波导，金属丝波导。本文从总体上介绍近年THz波导传输的研究情况，为THz波导传输的进一步发展提供基本信息。

2. THz波导传输

THz波导传输是THz波传输的一个新趋势。最近几年，不同类型的波导相继被人提出，本文主要介绍其中四种典型的波导结构。

2.1 金属波导

金属波导是用准光学方法耦合传输THz波，它分为两种：圆形波导和矩形波导。两者均能有效地将自由传输的亚皮秒（sub-ps）THz波耦合到亚毫米金属波导内，实验装置基本相同，但实验结果不同[1-3]。这里主要介绍圆形波导。

对于圆形波导，耦合到波导的能量为入射THz能量的40%，能量吸收系数小于1cm-1，色散传输经过的频率带为0.65~3.5THz。经耦合传输后，THz波被展宽和重整，形成了很强的负啁啾脉冲。

其实验装置如图1，在标准太赫兹时域光谱（THz-TDS）装置内，将一个硅透镜—波导—硅透镜系统放在两个抛物面反射镜之间的THz光束腰的位置。由抛物面反射镜聚焦后的THz波，经半球状的硅透镜再次聚焦，得到频率无关、振幅为1/e及直径为200µm的光束腰。此THz光束被耦合到圆形不锈钢金属波导内，波导传输后，再被另一个等同的硅透镜耦合出来。移开波导，将两个硅透镜移近至它们共同的焦点处，可测量到THz的参考脉冲。与24mm长的波导比较，从4mm长的波

* 国家自然科学基金(批准号:10390160)资助

导透射出的信号有更少的累积色散，振动也更少，截

止频率为0.62THz [1]。

矩形波导与圆形波导有部分不同，矩形波导能量

吸收系数小于0.5cm -1 [2]。在入射光谱中，圆形波导只

交叠了25个以上的导波模式，而矩形波导达35个以

上。相对于圆形波导中，入射线形偏振THz 脉冲的有

效耦合主要是TE 11, TE 12和TM 11模式；在矩形波导中，

则主要是TE 10和TM 12模式[5]。

2.2 介质波导

给定一个合适的介质，如高阻硅、蓝宝石等，介

质波导可以比金属波导有更少的吸收。且与金属波导

相比，介质波导中传输的模式是单个模式。在蓝宝石光纤内，sub-ps THz 脉冲的单模HE 11的传输已经被证明[4-5]。

2000年，R.Mendis 工作组证明了塑料条板波导的单模导波传输[6]。即在0.1~3.5THz 内，用高阻

聚乙烯做成2cm 宽的条板波导，有效耦合得TM 0单模。与上述的蓝宝石光纤和空心金属波导相反，此波导的群速度色散（GVD ）导致了正啁啾输出脉冲。其实验装置类似于图1，只是所用的硅透镜是平的圆柱透镜。由于改变条板波导的厚度，可以改变GVD ，此条板可以配置成有可控GVD 的THz 互联

[5]。2002年，J ．Roux 工作组通过在介质波导上蚀刻衍射光栅，大大提高了耦合的效率 [7]。2004年，还有工作组提出用光子晶体光纤（PCF ）作波导，如聚四氟乙烯[8]。

2.3 平行板金属波导

上述两种波导都有很大的GVD ，限制了宽带脉冲的有效传输。而平行板金属波导因为没有截止

频率，所以由GVD 导致的过大的脉冲展宽不存在。R.Mendis 工作组已经实现了将0.3 ps THz 脉冲入射到一个长为24.4mm ，板间距为108µm 的铜平行板波导。在0.1~4THz 范围内，观察到无失真、低损耗和单个横电磁（TEM ）模式的传输[9]，波导结构如图2。

为了使THz TEM 平行板金属波导与积分电路有效地连接，可将两个间距约为100µm ，相对大的

平行板金属波导组成一个互联[10-11]。在这个自由空间互联层内，放置两个准光学元件导波，校准或聚焦传输THz TEM 波。这种准光学方法就可能实现空间点对点、宽带宽的THz TEM 平面互联。此互联也具有低损耗、可忽略的GVD 和单模的特点。在互联层内放置准光学平面镜，还可以增加导波路径长度[11]。图3为有四个平面镜的互联层，实现了146mm 的路径长度[11]。

在THz —TDS 系统中，因为波导的灵敏度与两板间距成反比[3]，所以需要使板间距尽量最小化。最近研究结果表明，准光学技术结合圆柱硅透镜耦合THz 波，其耦合效率也由波导板间距决定，将板间距变小，会减少耦合。2005年，Jiangquan Zhang 工作组实现了绝热压缩平行板金属波导，它可以调节板间距，从而保证了窄板间距的有效耦合[12]。实验装置类似于图1，但中间的波导结构不同。波导结构如图4，它由两个等同的铜板、圆柱硅透镜、垫片和压缩器组成。铜板的尺寸规格为63.5mm （长）×27.9mm （宽）×9.5mm （厚度）。圆柱硅透镜的尺寸规格为15mm （高）×6.56mm （厚度）×5mm （半径），离波导入口和出口端的距离均为50µm 。垫片的尺寸规格为3mm （长，沿着z 方向）×2mm （宽）×103µm （厚度），用来保证波导入口和出口端的板间距均为103µm 。在波导的中间，固定一个不锈钢压缩器（由两个相同的超圆柱组成），调节中间点的板间距，其变化范围为0到103µm 。相应地调整相连接的硅透镜，就可以最佳化穿透波导的THz 信号。注意整个THz-TDS 系统和波导结构都需放置在密封的盒子内，且用干空气净化，尽量减少水蒸汽的吸收。这样，就实现了高电阻率和有效耦合，同时提高了系统的灵敏度。

图1 金属波导的THz —TDS 系统示意图