第39卷第5期 唐山师范学院学报 2017年9月 Vol.39 No.5 Journal of Tangshan Normal University Sep. 2017
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基金项目：河北省科技计划项目（16274522） 收稿日期：2017-03-01 作者简介：侯宇（1984-），男，河北定州人，博士，讲师，研究方向为光学器件的设计。 -41-
物理学与技术研究
侯 宇
（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）电子跳绳
摘 要：利用THz 时域光谱系统测试了THz 实芯和空芯波导管的传输情况，并对两种波导的导光机制做了详细的分析和比较。结果显示实芯THz 波导与传统的光波导的导光机制相同，都是利用全反射原理实现对光波的控制，并且随着入射光频率的增加，传输损耗迅速增大；在THz 空芯波导管中，却得到了不同于传统光波导的实验结果，损耗与入射光频率之间的关系也发生了变化。 关键词：太赫兹；导光机制；反谐振原理；时域光谱技术 中图分类号：O436
文献标识码：
A 文章编号：1009-9115(2017)05-0041-04
DOI ：10.3969/j.issn.1009-9115.2017.05.013
Experimental Research on the Guiding Mechanism of
Terahertz Waveguide
HOU Yu
(Department of Physics, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)
Abstract: By using THz time domain spectroscopy system, this paper tests the transmission properties of the THz solid core and hollow optical waveguide. It has made the detailed analysis and research on the transmission mechanism of two kinds of THz optical waveguide. The results show that the transmission mechanism of the THz Solid core waveguide is the same as the traditional opti
cal fiber. The transmission loss becomes bigger with the increase of incident frequency. On the contrary, the test results show that the transmission mechanism is very unique in the hollow THz waveguide.
Key Words: terahertz; guiding mechanism; anti resonance; THz time domain spectroscopy system无油烟锅
与可见光波段常用的通信光纤相比，THz 光纤有以下特点：（1）THz 光纤较粗，整个纤芯尺寸是传统光纤的10倍左右。（2）由于大多数材料对THz 波有较强的吸收作用，尤其是传统光纤所使用的玻璃材料更是对THz 波具有明显吸收，因此THz 光纤的基底材料大多选用聚合物塑料，包括高密度聚乙烯（HDPE ）、有机玻璃（PMMA ）[1]，和环烯烃类聚合物（TOPAS ）[2]等。这几种材料中，TOPAS 是目前制备THz 光纤最理想的材料。它具有吸收损耗小、OH -含量低、柔韧性好等优点。（3）由于THz 光纤的材料多为聚合物塑料，因此，它不适合在高温和高压环境下制备，也不能利用拉丝塔进行拉制。这些独特的性质就决定了现有的光纤拉制设备不能 很好地制备THz 光纤。所以，THz 光纤的设计与制备仍是当前国内外备受关注的研究热点。2002年，Han 领导的科研小组[3]利用非拉制方法（堆积法），成功制备了实芯THz 塑料光纤，并测量了其在一定长度内的传光性能。结果发现，光纤在THz 低频范围内表现良好，散平坦，传输损耗也较低，但在高频区域，由于该光纤是实芯结构，对THz 波的吸收损耗快速上升，未达到实用要求。近年来，为
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了降低THz 光纤的传输损耗，陆续有一些新的光纤结构被报道出来。文献[4]报道了在实芯光纤的基础上成功制备了具有多个小空气孔的THz 多孔光纤。与常见的THz 实芯光波导相比，大量小空气孔的加入，使得部分THz 波被限制在空气中传输，有效降低了
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材料对入射光波的吸收损耗。同时，通过改变小空气孔所占比率和结构参数，还能调整光纤的传光性能和折射率分布情况。
除此之外，空芯结构的THz 光纤也得到了研究人员的广泛关注。白晋军等人[5]利用有限元法设计了THz 空芯带隙型光纤，模拟结果显示入射的THz 波在带隙范围内被很好的限制在纤芯中传输，并且损耗远低于传统的实芯光纤。近年，Lai 等人[6]从理论上又分析了不同芯径尺寸、不同壁厚的PMMA 波导管的模式特性，这种波导管没有空芯带隙光纤那样规则的包层，结构比较简单。结果表明，空芯波导管仍能传输THz 波，并且传输损耗也不是很高。这种波导管虽然也属于THz 空芯波导，但它的导光机制却十分独特，不同于常见的空芯带隙型光纤。本文利用THz 时域光谱系统测试了THz 实芯和波导管的传输情况，并对两种波导的导光机制做了详细的分析和比较，从实验和理论上阐述了波导管这种新颖的导光机理[7,8]。
1 基本原理
利用THz 时域光谱系统对THz 实芯光纤和空芯波导管的传输情况进行了实验研究。所用光纤是多孔结构的THz 聚合物光纤。这种多孔结构介于实芯光纤和空芯光纤之间，具有两者的优点，既便于制备，又能降低入射THz 波的损耗，其结构在图1中给出。该端面整体作为光纤的纤芯，不包含包层结构，在纤芯内层和外层分布着数量不等的大小空气孔，其中小空气孔和大空气孔的直径分别为40 μm 和200 μm ，整个光纤宽度在4 mm 左右。光纤的基底材料为TOPAS ，折射率约为1.45。
图1 THz 悬浮式聚合物微结构光纤的端面图
(a) (b)
图2 THz 光纤在f = 1.5 THz 时的模场分布
金属圆锯片为了准确的分析THz 光纤的传光性质，利用Comsol 软件模拟了不同入射频率条件下光纤的模
场分布情况[9]，其结果在图2(a)和(b)中给出。可以看到，x 和y 两个偏振模式的大部分能量都被限制在纤芯附近传输。而纤芯附近又有大量的小空气孔存在，这就使得部分THz 波能被限制在空气中，有效降低了材料对THz 波的吸收。同时，这种空气孔内层小，外层大的结构还能提高光纤的模式双折射，使其具有更好的偏振保持作用。
利用THz 时域光谱系统测得的空芯波导管传输情况如图3所示。空芯波导管的材料为高密度聚乙烯，折射率为1.45。它与光子晶体波导不同，并没有规则的、周期性排列的纤芯和包层结构，而是结构简单的空芯管。但它的管壁较厚，超过了0.5 mm ，芯径为1.5 mm 。除此之外，为了便于测试，将它的表面做了平滑处理，长度也被限制在2 cm 左右。
图3 空芯波导管的结构图
2 实验结果分析和讨论
图4 THz 时域光谱系统
湿度传感器芯片图4为所搭建的THz 时域光谱系统。光源为美国光谱物理公司生产的飞秒激光器，中心波长800 nm ，重复频率75 MHz ，输出脉宽小于100 fs 。光源发出的飞秒激光经过偏振分束器后分成两束：一束作为泵浦光在原光路中继续传输，另一束经过延迟后作为探测光。泵浦光经聚焦后照射到光导天线上，产
生光生载流子，在外接偏置电压的作用下就会激发THz 辐射。由光导天线受激产生的THz 辐射经离轴抛面镜准直和聚焦后，照射到待测物品上。此时要特别注意，待测物品应被放置在THz 辐射汇聚的焦点处，并且根据待测物品的不同要及时校对和调整
侯 宇：太赫兹波导导光机制的比较与测试
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焦点的位置。通过待测物品后，THz 辐射与探测光重合并被一起汇聚到THz 检测系统中。检测系统利用了ZnTe 晶体的电光效应，当THz 辐射照射到晶体上时，晶体的折射率会发生改变，使得探测光在通过晶体后由圆偏振光变成了线偏振光，此种变化再经过锁相放大器处理，便可以得到与外接偏置电压同频率的THz 信号[10]。
在THz 光纤的测试过程中，将光纤用孔径光阑夹住，放在离轴抛面镜PM 2和PM 5的交点位置。这样可以使产生的THz 波尽可能多的耦合进光纤纤芯中传输，同时也降低了外部环境对测试光纤的影响。开始时，先测量了THz 时域光谱的原始信号，然后测出了加入光阑以后的信号，两者的对比结果如图5所示。加入光阑后的信号与系统的原始信号间，除了振幅上略有下降以外，并没有太大差别。而振幅的下降可能是因为THz 辐射的汇聚光斑尺寸超过了纤芯的尺寸，使得部分入射光不能耦合进光纤中，从而被衰减掉了。
图5 THz 时域光谱系统的原始信号和加入孔径光阑后的
传输信号
图6 THz 光纤振幅透过率和入射THz 频率之间的关系
图6给出了THz 光纤的振幅透过率和入射THz 频率之间的变化关系。如图所示，在THz 的低频区域（f
﹤0.2 THz ），光纤的透过率能够达到50%。随着THz 波入射频率的增加，光纤波导的振幅透过率迅速减小，当入射频率为0.3 THz 时，透过率已下
降到20%。随后虽然在0.5 THz 处，透过率有短暂上升，但之后又开始单调下降，当入射频率超过1 THz 时，透过率已低于10%。此时在光纤另一端已基本上接收不到光信号。根据公式e -αL =T ，T 为波导的振幅透过率，L 为THz 光纤的长度（L=1.5 cm ），可以求出光纤的有效模式吸收系数，其结果如图7所示。图中模拟结果和测试结果变化趋势相同，只是模拟得到的曲线更加平滑，其原因在于模拟是在理想条件下进行的，而实验测试受到诸如温度、湿度、操作规范等影响，存在测量误差。
图7 THz 光纤的有效模式吸收损耗
图8 空芯波导管振幅透过率和入射THz 频率之间的关系
图8给出了空芯波导管的振幅透过率和入射THz 频率之间的变化关系。因为空芯波导管的内部结构比较简单，所以与THz 光纤的传输情况相比，相同频率下的振幅透过率较高。特别值得注意的是，空芯波导管中的THz 谱线呈现出不规则的包络状分布，使得波导的透过率也随之出现高低变化，这正好与空芯波导管独特的反谐振导光机制相符合。在
分析这一导光机制时，波导管的管壁可以看作是一个微结构谐振腔，入射的THz 波在管内进行周期振
荡，其传输峰出现在腔的谐振频率处。换言之，当入射THz 波的频率接近空芯波导管的谐振频率时，管壁不再反射THz 波，使得THz 波很快从波导中泄露出去；当入射THz 波的频率处在空心波导管的反谐振频率范围内时，入射THz 波和管壁之间将会发
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生很强的相互作用，使得THz 波得以通过波导管进行传输[6]。
图9 THz 空心光波导的有效模式吸收损耗
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图9给出了THz 空芯波导的振幅透过率和入射THz 频率之间的变化关系。如图所示，其传输损耗也呈现出了不规则的包络状分布，并且损耗的大小与入射光频率之间并不像实芯光波导一样满足线性变化的关系，在f ﹤0.6 THz 和f ＞1.5 THz 两个区域内，波导的传光能力较强，当入射光频率接近1 THz 时，损耗迅速变大，峰值为0.7 cm -1。
对比图8和图9两个图，还可发现波导损耗与透过率密切相关，在透过率较高的地方，传输损耗较小。反之，则较大。但在0.2-2.0 THz 的区域内，THz 空芯波导的损耗都远低于实芯波导相同频率下的数值。这与THz 波本身的性质有关，THz 波介于微波和红外辐射之间，大多数用于微波波段和光波波段的材料如玻璃，塑料都对它有很强的吸收作用，导致THz 波在实芯波导中的传输损耗很难得到控制。图中理论和实验两条曲线的变化趋势相同，实验曲线呈不规则的包络状分布，而理论曲线的变化却比较平滑，这与所用分析软件的计算方法、模拟环境等有关。
3 结论
在传统通信波段的光波导中，导光机制主要有两种：一种是按照全反射原理进行导光，它需要波导的芯部折射率略大于包层折射率，这种方法适用于实芯光波导，导光范围宽，是当今应用最为广泛的一种方式；另一种是按照带隙限制原理进行导光，这种方法适用于空芯光波导，它需要在波导包层中加入周期性排布的空气孔，以使波导在特定的频率范围内可以传光。而在THz 波导中，还有一类特殊的空芯波导，被称作波导管，它没有复杂的包层结构，只有一个空气芯和一定厚度的管壁，通常我们
认为这种结构是不能导光的，但通过THz 时域光谱系统测试发现波导管不仅传输THz 波，而且传输损耗也不是很高。它的导光机制十分独特，不同于常见的空芯带隙型波导。而是可以看作是一个微结构谐振腔，入射的THz 波在管内进行周期振荡，其传输峰出现在腔的谐振频率处。换句话说，当入射THz 波的频率接近空芯波导管的谐振频率时，管壁不再反射THz 波，于是THz 波很快从波导中泄露出去；当入射THz 波的频率处在空心波导管的反谐振频率范围内时，入射THz 波和管壁之间将会发生很强的相互作用，使得THz 波得以通过波导管进行传输，
这一发现为THz 波导器件的设计和制备提供了新的方法和思路。
（致谢：感谢南开大学现代光学研究所的常胜江教授的帮助！）
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（责任编辑、校对：吴树新）
