波導(dǎo)將成為許多太赫茲光學(xué)系統(tǒng)中的重要元件。然而，傳統(tǒng)的基于全內(nèi)反射（TIR）工作原理的固體光波導(dǎo)的損耗極高。由于太赫茲輻射在干燥空氣中傳輸時損耗很小，因此具有高折射率管壁材料的空心光導(dǎo)管（例如空心光子晶體光纖）似乎是個理想的選擇。然而實驗證實：制作這種具有較低傳輸損耗和低群速度色散的光導(dǎo)管難度很大。

細的金屬線能夠以較低的損耗及較低的群速度色散傳導(dǎo)太赫茲波1。當(dāng)微波輻射在具有有限電導(dǎo)率的金屬線中傳輸時也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，稱為“索末菲波”2。索末菲線的一個缺點是：電場沿徑向分布極大擴展；另一方面，由于索末菲線具有較好的傳輸特性，它已經(jīng)成為太赫茲波通過波導(dǎo)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。

圖1. 波印亭矢量z分量（Sz）強度在分隔式矩形波導(dǎo)（左圖）及管狀波導(dǎo)（右圖）橫截面中的分布（其中h = 90μ，w = 54μ，g = 18μ，R = 182μ，r = 27μ）。

如今，亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH，位于德國的亞琛市）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型波導(dǎo)。它可以使太赫茲波高度受限，并且傳輸損耗及群速度色散較小。研究人員研究了太赫茲波在兩片被窄（亞波長）空氣隙分隔的相互平行的矩形介電平板中的傳輸，并將這種波導(dǎo)命名為“分隔式矩形波導(dǎo)（SRW）”。此外，他們還研究了太赫茲波在填充空氣的管狀介電波導(dǎo)（TW）中的傳輸。

兩種裝置都靠全反射實現(xiàn)傳輸，但大部分的太赫茲波分別在無損耗的空氣隙（SRW波導(dǎo)）及管芯（TW波導(dǎo)）中傳輸3。根據(jù)麥克斯韋方程，電位移矢量的法向分量在兩種電介質(zhì)的交界處保持不變。這意味著電場強度矢量的相應(yīng)分量從電介質(zhì)到空氣中會急劇增加，從而使光功率集中于該區(qū)域4。

空氣隙中的傳輸

研究人員對兩種結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的電場進行數(shù)值模擬計算，并將波印亭矢量z分量的空間分布繪制出來（見圖1）。他們選用硅作為SRW的平板材料。硅在太赫茲波段的折射率為3.417，并且在0.7THz處耗散因數(shù)為0.00001。此外，他們選用熔融石英作為TW的管壁材料。熔融石英的折射率為1.95，在0.5THz處耗散因數(shù)為0.001。兩種結(jié)構(gòu)中，波印亭矢量的z分量在折射率較低的內(nèi)部達到最大值。SRW中，研究人員保持平板高度、寬度以及空氣隙寬度的比值為1:1.6:5，通過改變SRW的高度，他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)平板高度達到90μ時，總功率的55%被限制在空氣隙中，僅有25%的功率在高折射率材料平板中傳輸。TW中的數(shù)值模擬表明：固定外徑與內(nèi)徑的比值為2:1，當(dāng)外徑（半徑）值達到175μ時，空氣管中傳輸?shù)墓夤β蔬_到最大值26%。

圖2. 分隔式矩形波導(dǎo)以及管狀波導(dǎo)中衰減（上圖）及介電常數(shù)（下圖）與頻率的函數(shù)關(guān)系。圖中還給出了索末菲線的計算結(jié)果作為比較。上圖左側(cè)及右側(cè)的縱坐標(biāo)值相差10倍。

研究人員還計算了兩種結(jié)構(gòu)中不同空氣隙寬度及內(nèi)徑條件下衰減以及介電常數(shù)在0.3～0.9THz波段內(nèi)的變化規(guī)律，并且對索末菲線進行計算作為參考（見圖2）。結(jié)果表明：SRW比索末菲線（SW）的衰減更小，并且有效介電常數(shù)隨頻率的增長比體材料要慢得多。由于有效介電常數(shù)的斜率隨頻率的函數(shù)關(guān)系決定群速度色散，這意味著SRW的特性與索末菲線最接近。

與TW以及索末菲線相比，SRW的一個明顯優(yōu)勢是它的彎曲損耗更小。例如對于在集成光學(xué)中的潛在應(yīng)用而言，能夠限制75%功率的SRW，其橫截面積僅為索末菲線的1/104。

到目前為止，人們僅通過實驗測量了TW中衰減以及有效介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)與介電損耗因子（0.2）及有效介電常數(shù)（4.5）相一致。

研究表明：由于分隔式矩形波導(dǎo)具有尺寸小的特點，因此它在集成特赫茲光學(xué)中應(yīng)用前景十分廣闊。此外，管狀波導(dǎo)也有望在內(nèi)窺應(yīng)用中大顯身手。亞琛工大的研究人員Michael Nagel稱：“利用硅顯微加工技術(shù)，我們預(yù)計能夠立刻制造以及測試SRW，并且對該方法進行充分開發(fā)利用。”

作者：Uwe Brinkmann

參考文獻
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).