波长在60～65 μm范围内TIR－PPCF的太赫兹波传输特性*

李孟洋，孙文军，孙京南，李 娟，支洪武

(哈尔滨师范大学)

波长在60～65 μm范围内TIR－PPCF的太赫兹波传输特性*

李孟洋，孙文军，孙京南，李 娟，支洪武

(哈尔滨师范大学)

设计了基于全内反射的实芯塑料光子晶体光纤(TIR－PPCF)，其晶格结构为三角形.利用时域有限差分法计算了TIR－PPCF在60～65 μm(4.6～5 THz)波段的色散、损耗等特性.计算结果表明TIR－PPCF在波长60～65 μm范围内可以实现THz波的低色散和低损耗的传输，且当占空比为0.5时，色散变化为0.12 ps/(km·nm)，最小损耗值为1.1dB/km.该结构的TIR－PPCF相对于其他结构的THz波传输介质具有更平坦的色散特性和更低的损耗特性.研究结果对THz波光子晶体光纤的研究与应用提供了科学的借鉴.

塑料光子晶体光纤;时域有限差分;色散;损耗

0 引言

随着THz技术的迅速发展和广泛应用，其对传输介质的要求也越来越严格.近10年太赫兹波的传输介质先后成为了各国科研人员的研究热点.2002年的Applied Physics Letters报道了韩国浦项科技大学研究小组研究的光子晶体光纤的太赫兹波的传输特性［1］.美国的Rice大学研究小组实现了金属传输线的THz波低色散低损耗的传输［2］，我国的南京邮电大学光通信研究所研究的光子晶体光纤也实现了THz波低色散和低损耗的传输［3－4］.光子晶体光纤根据导光原理可分为两种:全内反射型(Total Intemal Reflection，TIR)光子晶体光纤和光子带隙型(Photonic Band Gap，PBG)光子晶体光纤，后者对于空气孔排列的精准度有比较高的要求，所以对制作工艺要求高，难以实现［5］.上述文献表明THz波在石英为介质的光子晶体光纤中传播损耗很大，而塑料为介质的光子晶体光纤可以实现THz波的低损耗和低色散的传输.考虑到塑料良好柔韧性和低融化温度，笔者设计一种以塑料为介质的三角形晶格实芯光子晶体光纤，计算了该光纤在60～65 μm波段的太赫兹波传输特性，并比较了该结构与其他THz传输介质的传输性能.

1 物理模型及计算方法

设计的基于全内反射三角形塑料光子晶体光纤(TIR－PPCF)结构如图1所示，其中d为空气孔直径，Λ为晶格常数，占空比d/Λ =0.5，Λ=50 μm.圆孔为空气孔，光纤的塑料介质折射率n=1.534.利用时域有限差分法(Finite－Difference Time － Domain，FDTD)［6－7］计算光纤的色散特性和损耗特性，其计算过程可简单描述为把所研究的空间划分成很多个网格单元(Δx，Δy，Δz)，即 Yee 提出 的 差 分 网 格，将Maxwell方程的两个旋度方程在网格上作时间导数和空间导数的中心差分近似，代入到麦克斯韦方程，利用完全匹配层(PML)吸收边界条件得到能量分布，最后进行傅立叶变换计算出电场分布与频率的关系，得出色散曲线和损耗特性.

图1 TIR－PPCF的截面图

2 结果分析与讨论

利用软件分别计算了晶格常数为Λ=40 μm，Λ =45 μm，Λ =50 μm，Λ =55 μm，Λ =60 μm，Λ =65 μm， 占 空 比 分 别 为 d/Λ = 0.5，d/Λ =0.55 和d/Λ =0.6时，波长为60 ～ 65 μm的太赫兹波在设计的TIR－PPCF中的色散变化范围和最小损耗值.图2给出了计算结果，可以看出对于60～65 μm的THz波，当Λ值一定时，随着d的减小，设计的TIR－PPCF的色散变化范围和最小损耗值都在减小，且晶格常数d=50 μm时，所研究的太赫兹波的色散值和损耗值最小，其最小值分别为0.12 ps/(km·nm)和1.1 dB/km.

图3 给出了当 Λ =50 μm、d/Λ =0.5 时，THz波在设计的TIR－PPCF中传输的色散变化和损耗特性，可见最小色散变化范围为0.12 ps/(km·nm)，最小损耗值为 1.1 dB/km.图4给出了THz波的模场分布图，可见可以很好的将该波段的THz波束缚在纤芯内传播.表1给出了设计的TIR－PPCF与其他波导结构太赫兹传输特性比较，由表1可以看出，设计的TIRPPCF具有更低的色散和损耗特性.

图 2 占空比为 0.5、0.55、0.6 时的色散曲线和最小损耗值

图 3 Λ =50 μm d/Λ =0.5 TIR － PPCF的色散曲线和损耗曲线

表1 设计的TIR－PPCF与其他结构波导在色散变化值和最小损耗值上的比较

图4 THz波在TIR－PPCF中的模场分布图

3 结论

利用FDTD方法计算分析了基于全内反射的 TIR － PPCF在60 ～ 65 μm(4.6 ～ 5.0 THz)波段内，THz波的传输特性.当Λ值一定时，随着d的减小，TIR－PPCF的色散变化范围和最小损耗值都在减小，且晶格常数Λ =50 μm时，所研究的太赫兹波段波传输时色散值和损耗值最小，其最小值分别为0.12 ps/(km·nm)和1.1 dB/km，并且对该波段的THz波具有很强束缚能力，传输特性优于金属传输线和PBG－PPCF.

［1］Han H，Park H，Cho M.Terahertz Pulse Propagmion in a Plastic Photonic Crystal Fibers［J］.Appl Phys Lett，2002，80(15):2634－2636.

［2］Wang K L，Mittleman D M.Metal wires for terahertz waveguiding［J］.Nature，2004，432 －489.

［3］姜跃进，施伟华.新型THz波超平坦色散光子晶体光纤［J］.物理学报，2010，59(8):54 －58.

［4］吴昊，施伟华.新型太赫兹波塑料光子晶体光纤的色散特性［J］.光通信研究，2011，1(162):56 －60.

［5］Russell P St J.Recent progress in photortic crystal fiber［J］.Proc.OFC，2000，3:98 －1 00.

［6］Yu C P，Chang H C.Yee － mesh － based finite difference eigenmode solver witll PML absorbing boundary conditions for optical waveguides and photonic crystal fibers［J］.Optics Express，2004，12(25):6165 －6177.

［7］Marko Loncar.Design and fabrication of Silicon photonic crystal optical waveguides［J］.J Lightwave Technol，2000，18(10):1402－1411.

Transmission Characteristics of TIR－PPCF for THz at Wavelength of 60 ～ 65 μm

Li Mengyang，Sun Wenjun，Sun Jingnan，Li Juan，Zhi Hongwu
(Harbin Normal University)

The TIR－PPCF with triangular crystal lattice structure based on Total Internal Reflection principle is designed.The dispersion loss performances and other characteristics of TIR －PPCF are analyzed by using the method of the FDTD for THz wave.Calculated results show that the TIR －PPCF can achieve low dispersion and low loss transmission performance for THz wave within the wavelength of 60 ～65 μm(4.6 ～5.0 THz).When the ratio of air hole diameter(d)to crystal lattice constants(Λ)is 0.5，the dispersion change is 0.12 ps/(km·nm)，the minimum loss value is 1.1 dB/km.The designed TIR －PPCF exhibits more flat dispersion and more low loss compared with other transmission structures for THz wave.The researched results provide a scientific reference for THz wave's PCF investigation and application.

PPCF;FDTD;Dispersion;Loss

2011－04－18

*黑龙江省青年基金(QC06C043);哈尔滨青年基金(2006RFQXG055，08XYS－01);黑龙江省教育厅骨干教师项目(1251G031);哈尔滨师范大学预研项目(08XYS－01);黑龙江省研究生创新科研资金项目(YJSCX2011－414HLJ)

(责任编辑:李佳云)