低损耗亚波长塑料光纤的太赫兹波导

翟玉翠

（中国人民武装警察部队警官学院数理系，四川成都 610000）

低损耗亚波长塑料光纤的太赫兹波导

翟玉翠

（中国人民武装警察部队警官学院数理系，四川成都 610000）

本文所述的是一种类似于光纤的简单亚波长直径塑料导线，用它来传导太赫兹波，具有较低的损耗常数。当波长对光纤的比率大时，在高损耗导线中传递的那部分能量就会减少，从而降低有效的光纤损耗常数。在实验中，我们采用了一种直径200um的聚乙烯纤维来传导频率近0.3THz太赫兹波，它的损耗常数被减小到甚至低于0.01cm-1。我们可以通过一个偏轴抛物面镜来获得高达20%的自由空间耦合效率。另外，这种塑料导线很容易获得，不需要复杂而昂贵的制备。

塑料光纤；太赫兹；波导

太赫兹波的波长在30到3 000um（10到0.1THz）之间，它的高损耗一直是长距离传输太赫兹波面临的一个严峻问题。因此，现在几乎所有的太赫兹应用系统的设置都是用平面的或弯曲的金属反射镜制造的，使得系统很死板，而且容易受到外界环境的影响。要想有一个适合各种应用程序的紧凑可靠并灵活的太赫兹系统，就必须要有一个低损耗的太赫兹波导。我们发现了一种类似于光纤的简单的亚波长直径塑料导线，可以在单模操作中降低损耗。研究中我们采用了一种直径200um的聚乙烯（PE）线作为300GHz的亚波长太赫兹波的导线。当波长对光纤的比率小时，大部分太赫兹波将被导出高损耗导线以至于损耗常数被成功减小到甚至低于0.01cm-1，而当使用一个偏轴抛物面镜时，光纤的自由空间耦合效率可以高达20%。我们提出了利用直接耦合的方法，利用当前的太赫兹系统很容易集成太赫兹光纤，从而提高系统的灵活性和可靠性。

为了简化分析传导多种亚波长太赫兹光纤，我们假设这些塑料导线具有空气包层光纤的几何性质，有一个圆形的界面，一个统一的半径a，和一个突变的内折射率n1和外折射率n2。因为空气作为外表面的覆盖材料，所以我们假设n2=1。通过求解上述参数的麦克斯韦方程，可以求出一个贝塞尔函数形式的表达式。然而，由于在太赫兹领域缺少一种不透明的材料，所有限制在电介质导线中的模式都将被材料吸收，导致这种光纤相对于金属光纤的损耗过高。有一种直接的方法既可以改善损耗，又可以确保单模（HE11)操作，就是通过使用一种直径对波长比率小的亚波长直径塑料导线。为了计算导线中心的那部分能量，就必须先求出传播方向（Z方向）上坡印廷矢量Sz。从上图可以看出，对于直径200um的PE导线传播300GHz、500GHz、700GHz以及900GHz的波，我们计算它的空间分布Sz时一般用n1=1.5。可以观察到导出PE导线的那部分能量随着导波频率的增加而增加。通过下面的式子可以得出导线内那部分能量的η值：

这个η值可以粗略估计受导线吸收影响的有效光纤损耗常数。当采用小直径塑料光纤时，损耗常数将接近于空气包层的损耗常数，这个时候η就会比较小，当损耗常数近似于PE材料时，η的值将接近于1。我们采用了一种微扰法来精确估计材料吸收所引起的光纤损耗。我们提出一个合理的假设，在太赫兹领域内的亚波长塑料导线，沿着光纤流动的所有能量比起来，每个传播波长的损耗很小。我们用这样一种方法来简化坡印廷定理，我们通过

这个式子给出光纤损耗常数αf，其中τ是垂直于光纤轴的无限大平面，σ是电导率，它与材料的吸收常数有关。对于塑料导线，它的电导率是一个关于折射率n1和塑料的吸收常数的函数，αm可以表示成σ=n1cαm/4π。对于空气包层，它的电导率接近于零，因为空气的吸收率我们可以忽略不计。αf是电磁波频率的函数，它的曲线图如上图的曲线所示，其中假设αm=1cm-1。

我们用亚波长太赫兹光纤的PE导线，因为PE具有相对较低的αm值，在太赫兹波段没有强的吸收谱。光子发射器的太赫兹波辐射是通过光学相干控制系统来控制中心频率的辐射。我们通过一对相同的抛物面镜（3.82厘米的焦距）将辐射准直并耦合到光纤的一端。这些光纤都被纸制的光纤耦合器约束在一起。之所以选择纸作为支持的材料，是因为其在太赫兹波段的低吸收。我们采用了一种特殊的纸来测量太赫兹波长的传播功率是大于90%的。这个耦合器是受动力矩和倾斜调整的三维布局的控制。太赫兹能量是通过一种光纤来传播的，这种光纤是由金属锥收集并通过一个translation-stage-mounted的硅辐射热计测量的。金属锥是用来调整检测窗口，使它变成一个小孔以防止被检测波的扩散。我们将一个纸制的光纤输出支架接到金属锥的输入端。穿过纸中心的这个小洞要比光纤芯的横截面略小，以保证光纤装备的精密性。

总之，我们展示了一种PE材料的低损耗亚波长太赫兹光纤，它具有便宜且容易获得的优点。因为它的直接耦合功能，所以具有当前太赫兹集成系统的潜在优势，也可以应用于消散波光纤的感应。由于这种光纤的弱导波性，传播损耗被成功的减小了。

TN252

A

1003-5168(2014)04-0068-01