有效传导太赫兹波的分隔式矩形波导详细介绍

　　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。

　　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。

　　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%。