波導將成為許多太赫茲光學系統中的重要元件。然而，傳統的基于全內反射（TIR）工作原理的固體光波導的損耗極高。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太赫茲波1。當微波輻射在具有有限電導率的金屬線中傳輸時也會出現這種效應，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，它已經成為太赫茲波通過波導傳輸的標準。

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

如今，亞琛工業大學（RWTH，位于德國的亞琛市）的研究人員已經開發出一種新型波導。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，并將這種波導命名為“分隔式矩形波導（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（TW）中的傳輸。

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

空氣隙中的傳輸

研究人員對兩種結構波導中的電場進行數值模擬計算，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處耗散因數為0.001。兩種結構中，波印亭矢量的z分量在折射率較低的內部達到最大值。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，他們發現：當平板高度達到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中的數值模擬表明：固定外徑與內徑的比值為2:1，當外徑（半徑）值達到175μ時，空氣管中傳輸的光功率達到最大值26%。

圖2. 分隔式矩形波導以及管狀波導中衰減（上圖）及介電常數（下圖）與頻率的函數關系。圖中還給出了索末菲線的計算結果作為比較。上圖左側及右側的縱坐標值相差10倍。

研究人員還計算了兩種結構中不同空氣隙寬度及內徑條件下衰減以及介電常數在0.3～0.9THz波段內的變化規律，并且對索末菲線進行計算作為參考（見圖2）。結果表明：SRW比索末菲線（SW）的衰減更小，并且有效介電常數隨頻率的增長比體材料要慢得多。由于有效介電常數的斜率隨頻率的函數關系決定群速度色散，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的一個明顯優勢是它的彎曲損耗更小。例如對于在集成光學中的潛在應用而言，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隨頻率的變化關系。實驗數據與介電損耗因子（0.2）及有效介電常數（4.5）相一致。

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

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).