论文导读：当f=0.1THz，孔间距Λ=75μm，空气孔层数N=7，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗特性在d/Λ=0.4时，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗为0.0013dB/m。在d/Λ=0.95时，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗为0.0012dB/m。本文提出了基于六边形结构光子晶体光纤太赫兹波导。
关键词：太赫兹波，波导，光子晶体，衰减
引言
太赫兹波是指频率范围在0.1THz~10THz之间的电磁波。近些年来，随着太赫波源和太赫兹波探测取得的一系列进展，使太赫兹在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等方面具有广阔的应用背景。由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，太赫兹能否广泛应用的关键在于能否获得低损耗传输波导。国内外对太赫兹波导开展了有关研究，如美国Rice大学M.Mittleman[1]实现了低色散的不锈钢金属波导传输。Hidaka等[2]用铁电聚合物聚材料设计了空心波导，该波导的传输损耗为1.5m-1。R.Mendis等[3]制作了太赫兹波塑料光纤。如何实现低损耗太赫兹波导依然是当前太赫兹波研究热点。本文提出一种具有点缺陷的光子晶体光纤作为太赫兹传输波导，通过有限元法计算分析，获得该太赫兹光子晶体波导的衰减为0.0012dB/m，具有传输性能好、尺寸小和便于集成等优点。
一、结构设计
太赫兹光子晶体波导结构如图1所示。材料为电阻率10kΩ.cm的硅，截面分为包层区和芯区，包层为均匀空气按六边形排列形成周期性结构，芯层中心原空气孔缺省而形成纤芯。Λ为空气孔间距，d为空气孔直径，d/Λ为相对孔径，N为包层空气孔层数，n1为空气的折射率，n2为硅的折射率。
图1 太赫兹波导光子晶体光纤截面
二、理论模拟
计算中最大空气孔层数N=7，空气孔间距Λ=75μm，n1=1，n2=3.48。固定空气孔间距Λ，改变空气孔直径d，分析空气孔直径与空气孔间距比值分别为d/Λ= 0.4和d/Λ=0.95时太赫兹波在光子晶体光纤中能量的传输情况。图2为d/Λ=0.4时，太赫兹波在光子晶体光纤中能量分布。论文发表。从图2(a)和(b)可见，大部分能量集中于光子晶体光纤的纤芯中，但是也有一部分能量分布在距光子晶体光纤纤芯最近的一排空气孔的周边，能量泄漏明显。论文发表。图3为d/Λ=0.95时太赫兹波能量在光子晶体光纤中分布。论文发表。从图3(a)和(b)可见，当d/Λ=0.95，较d/Λ=0.4的太赫兹波能量更加集中于光子晶体光纤的纤芯区。从图2和图3可以看出，随着空气孔直径d逐步增加，能量越集中于纤芯区，太赫兹波传输损耗越小。
 
（a）三维表面图（b）平面图
图2太赫兹波在光子晶体光纤中能量分布（d/Λ=0.4）
 
(a)三维表面图(b)平面图
图3太赫兹波在光子晶体光纤中能量分布（d/Λ=0.95）
泄漏损耗是传输损耗的一个主要因素，它是由传播常数β出现虚部造成。泄漏损耗计算式可表示为
 （1）
 （2）
式中λ是波长。
当f=0.1THz，孔间距Λ=75μm，空气孔层数N=7，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗特性在d/Λ=0.4时，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗为0.0013dB/m。在d/Λ=0.95时，太赫兹波在光子晶体光纤中损耗为0.0012dB/m。
三、结论
本文提出了基于六边形结构光子晶体光纤太赫兹波导。在传输频率为f=0.1THz，占空比d/Λ=0.95，空气孔间距Λ=75μm时，最小传输损耗为0.0012dB/m。研究结果表明选择合适的参数可以设计出具有低传输损耗的太赫兹光子晶体波导。
参考文献
[1]K.L.Wang, D.M.Mittleman. Metal wires for terahertzwaveguiding[J]. Nature,2004, 432
[2] T. Hidaka, H.Minamide, H. Ito, et al. Ferroelectric PVDF cladding terahertz waveguide[J]. J.Lightwave Technol, 2005,23
[3]R.Mendis, D.Grischkowsky. Plastic ribbon THzwaveguide[J]. Appl Phys, 2000, 88
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