太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性

研究了太赫兹波在具有有限电导率的金属镀层空芯波导中的传输特性.从其传输的特性方程出发,利用Newton-Raphson迭代方法数值模拟了传输损耗和相位常数随太赫兹波频率、波导内径以及波导中金属镀层的电导率的变化关系.结果表明,采用大芯径波导和高电导率的金属镀层能有效降低太赫兹波的传输损耗. 关键词： 太赫兹波 空芯波导 特征方程     

低损宽频高双折射太赫兹光子带隙光纤

设计了一种低损耗、宽频段、高双折射太赫兹光子带隙光纤,呈三角晶格排列的亚波长空气孔包层实现了带隙的局域作用.利用全矢量有限元法对光纤的双折射及损耗特性进行了理论分析.结果表明,在大约0.3 THz的宽频范围内,类矩形纤芯太赫兹光子带隙光纤的损耗小于0.009 cm^-1,相双折射在10^-3数量级,群双折射可达10^-2数量级. 关键词： 太赫兹 太赫兹波导 光子晶体光纤 双折射     

基于空芯反谐振光纤的三芯结构宽带耦合器设计

提出一种基于三芯结构空芯反谐振光纤的太赫兹耦合器。采用有限元分析法对太赫兹光纤的模式特性进行分析,并基于耦合理论得到其耦合特性曲线。仿真结果表明,三芯结构模式具有比单芯结构更低的传输损耗,其耦合长度可通过改变纤芯间隔和隔离包层管的间隙进行调节。采用长度为223.2 mm的三芯结构空芯光纤可以实现插入损耗小于3.5 dB、带宽达到0.52 THz的宽带、均匀分束。     

太赫兹双芯反谐振光纤的设计及其耦合特性

设计了一种新型的太赫兹双芯反谐振光纤,利用有限元分析法对光纤的损耗特性、双芯之间的耦合特性等进行了理论分析.结果表明,单芯反谐振光纤在一定范围内改变内包层管的排列分布,其传输特性并不会受到明显的影响,据此可以改变双芯光纤的内包层管的排列分布,从而利用模式泄漏耦合机制在太赫兹波段实现双芯反谐振光纤的定向耦合.本文通过改变纤芯距离和纤芯间的间隙大小,在2.5 THz的传输频率下实现了耦合长度为0.72 m的定向耦合,这种太赫兹双芯反谐振光纤将在太赫兹光开关、调制器和耦合器等太赫兹光学器件中具有重要的应用价值.     

基于嵌套三角形包层结构负曲率太赫兹光纤的研究

设计了一种新型负曲率太赫兹光纤,光纤由六条均匀分布在包层内部并嵌套等边三角形结构的包层管组成.通过改变包层管和三角形边的厚度来研究负曲率光纤的有效模场面积、纤芯功率比、限制损耗、色散等性能.当包层管和三角形厚度为90μm时,光纤的限制损耗在2.36 THz时可以达到0.005 d B/cm,当频率范围在2.1—2.8 THz时,色散系数在±0.19 ps/(THz·cm),纤芯功率比达到了99%以上,并且拥有较好的有效模场面积.进一步,将包层管和三角形边厚度保持在90μm不变,调整三角形边的弯曲程度,继续研究以上性能,结果表明在内弯曲的状态下可以将限制损耗降低60%.该工作为高效率、高性能的太赫兹光纤提供了合理的结构设计以及理论分析.     

太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器

提出了一种低损耗、宽频段太赫兹双芯光子带隙光纤定向耦合器,光纤的包层由亚波长尺度呈三角晶格排列的空气孔组成, 两个纤芯分别由去掉7个空气孔构成.利用全矢量有限元法对光纤的色散、耦合特性以及损耗特性进行了理论分析. 研究表明,这种耦合器的损耗系数小于0.021 cm^-1,更重要的是可以实现0.14 THz范围内的宽频定向耦合. 这种定向耦合器在太赫兹通信系统中滤波、波分复用、偏振分离和开关等技术中有潜在的应用价值.     

环状烯烃聚合物基底材料的太赫兹复介电常数和损耗特性研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体,半导体,爆炸物和气体等多种材料。然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性,如微量物质难以被检测、系统尺寸难以实现微型化、空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。为了解决这些问题,研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件,通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。然而,在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度,一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。通常这些损耗主要由三个部分组成：导体损耗,介电损耗和辐射损耗。研究表明：使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底,将减少这种介电常数的失配,从而避免冲击波辐射损失;使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料,在太赫兹波段具有很高的透射率,为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底,需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性,以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。使用透射式太赫兹时域光谱系统,对三种COP、熔融石英和PMMA进行了光谱测试,提取了它们的透射时域信号,采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。实验表明：与其他两种材料相比,COP材料在1 THz处的透过率更高,可以达到94.5%,同时介电损耗和介电常数更低,其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4,因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平,也有效减弱了辐射损耗。对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟,获得了它们的正向传输衰减系数(S₂₁ parameter),并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下,与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析,表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料,它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。     

利用3D打印技术制备太赫兹器件

高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用,因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例,分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器,运用商用的3D打印机加工样品,并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明:加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm~(-1),最小值可达到0.002 cm~(-1),且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗;滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带;这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性,将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。     

基于低温共烧陶瓷的毫米波-太赫兹基片集成波导过渡结构

在微波电路系统中,电磁波由一种传输介质进入另一种传输介质所带来的不连续性等问题会极大地影响系统的传输性能,这一直是设计微波电路所要关注的重点问题.当电磁波频段进入毫米波和太赫兹频段之后,如何实现电磁波从金属矩形波导接口到介质基板的高效、低损耗传输,是实现毫米波太赫兹通信系统的关键所在.本文设计了一种基于低温共烧陶瓷的基片集成波导-矩形波导过渡结构,通过阶梯渐变结构来改善传输性能、拓展带宽,并在此基础上设计了用于馈电网络的一分二过渡结构,引入空腔结构来降低损耗并拓展带宽.这两种结构都具有结构简单、易于加工的特点,可在W波段或D波段实现良好的传输特性,具备一定的频带普适性.在频率较高的D波段加工制作了测试基板,测量了其传输特性以验证该结构的实用性,其测试结果表明:该基片集成波导过渡结构可在126—149 GHz或112—139 GHz的频带内实现良好的传输特性;一分二过渡结构可在132—155 GHz的频带内实现良好的传输特性.     

基于悬浮式双芯多孔光纤的太赫兹偏振分离器

提出了一种基于悬浮式双芯多孔光纤的低损耗、宽带太赫兹偏振分离器.通过纤芯的多孔结构实现器件的低损耗特性,利用两个纤芯微结构的正交关系实现宽带的单偏振模式匹配.结构参数设计采用折射率反转匹配耦合法;数值计算采用全矢量有限元法;光纤基底材料选择太赫兹波段低损耗环烯烃共聚物COC.首先对单芯高双折射悬浮式多孔光纤的色散、模式双折射、基模在空气中的能量分数、以及损耗等特性进行了分析,在此基础上,对悬浮式双芯多孔光纤偏振分离器的特性进行了详细研究.发现该偏振分离器的工作带宽超过1.5 THz(0.8 THz到2.3 THz).其偏振分离长度和吸收损耗随频率的增大而增大,在1 THz,分离长度仅为0.66 cm;x,y两偏振的消光比分别为-14.64 dB和-14.84 dB,两偏振模式的实际吸收损耗均小于0.12 dB.相对于其他双芯光纤偏振分离器设计,该结构具有宽带、低损耗、设计简单、拉制容易、以及抗环境干扰等优点.