波导：分隔式矩形波导有效传导太赫兹波

波导将成为许多太赫兹光学系统中的重要元件。然而，传统的基于全内反射（TIR）工作原理的固体光波导的损耗极高。由于太赫兹辐射在干燥空气中传输时损耗很小，因此具有高折射率管壁材料的空心光导管（例如空心光子晶体光纤）似乎是个理想的选择。然而实验证实：制作这种具有较低传输损耗和低群速度色散的光导管难度很大。

细的金属线能够以较低的损耗及较低的群速度色散传导太赫兹波1。当微波辐射在具有有限电导率的金属线中传输时也会出现这种效应，称为“索末菲波”2。索末菲线的一个缺点是：电场沿径向分布极大扩展；另一方面，由于索末菲线具有较好的传输特性，它已经成为太赫兹波通过波导传输的标准。

图1. 波印亭矢量z分量（Sz）强度在分隔式矩形波导（左图）及管状波导（右图）横截面中的分布（其中h = 90μ，w = 54μ，g = 18μ，R = 182μ，r = 27μ）。

如今，亚琛工业大学（RWTH，位于德国的亚琛市）的研究人员已经开发出一种新型波导。它可以使太赫兹波高度受限，并且传输损耗及群速度色散较小。研究人员研究了太赫兹波在两片被窄（亚波长）空气隙分隔的相互平行的矩形介电平板中的传输，并将这种波导命名为“分隔式矩形波导（SRW）”。此外，他们还研究了太赫兹波在填充空气的管状介电波导（TW）中的传输。

两种装置都靠全反射实现传输，但大部分的太赫兹波分别在无损耗的空气隙（SRW波导）及管芯（TW波导）中传输3。根据麦克斯韦方程，电位移矢量的法向分量在两种电介质的交界处保持不变。这意味着电场强度矢量的相应分量从电介质到空气中会急剧增加，从而使光功率集中于该区域4。

空气隙中的传输

研究人员对两种结构波导中的电场进行数值模拟计算，并将波印亭矢量z分量的空间分布绘制出来（见图1）。他们选用硅作为SRW的平板材料。硅在太赫兹波段的折射率为3.417，并且在0.7THz处耗散因数为0.00001。此外，他们选用熔融石英作为TW的管壁材料。熔融石英的折射率为1.95，在0.5THz处耗散因数为0.001。两种结构中，波印亭矢量的z分量在折射率较低的内部达到最大值。SRW中，研究人员保持平板高度、宽度以及空气隙宽度的比值为1:1.6:5，通过改变SRW的高度，他们发现：当平板高度达到90μ时，总功率的55%被限制在空气隙中，仅有25%的功率在高折射率材料平板中传输。TW中的数值模拟表明：固定外径与内径的比值为2:1，当外径（半径）值达到175μ时，空气管中传输的光功率达到最大值26%。

图2. 分隔式矩形波导以及管状波导中衰减（上图）及介电常数（下图）与频率的函数关系。图中还给出了索末菲线的计算结果作为比较。上图左侧及右侧的纵坐标值相差10倍。

研究人员还计算了两种结构中不同空气隙宽度及内径条件下衰减以及介电常数在0.3～0.9THz波段内的变化规律，并且对索末菲线进行计算作为参考（见图2）。结果表明：SRW比索末菲线（SW）的衰减更小，并且有效介电常数随频率的增长比体材料要慢得多。由于有效介电常数的斜率随频率的函数关系决定群速度色散，这意味着SRW的特性与索末菲线最接近。

与TW以及索末菲线相比，SRW的一个明显优势是它的弯曲损耗更小。例如对于在集成光学中的潜在应用而言，能够限制75%功率的SRW，其横截面积仅为索末菲线的1/104。

到目前为止，人们仅通过实验测量了TW中衰减以及有效介电常数随频率的变化关系。实验数据与介电损耗因子（0.2）及有效介电常数（4.5）相一致。

研究表明：由于分隔式矩形波导具有尺寸小的特点，因此它在集成特赫兹光学中应用前景十分广阔。此外，管状波导也有望在内窥应用中大显身手。亚琛工大的研究人员Michael Nagel称：“利用硅显微加工技术，我们预计能够立刻制造以及测试SRW，并且对该方法进行充分开发利用。”

作者：Uwe Brinkmann

参考文献
1. K. Wang, D. Mittleman, Nature 432, 376 (2004).
2. T.-I. Jeon et al., Appl. Phys. Lett. 86, 161904 (2005).
3. M. Nagel et al., Optics Express 14(21) 9944 (2006).
4. V.R. Almeida et al., Optics Letters 29(11) 1209 (2004).