太赫茲空芯波導(dǎo).pdf

1、隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，太赫茲波導(dǎo)的研究越來越受到人們的關(guān)注。太赫茲波導(dǎo)是太赫茲系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，對于系統(tǒng)的小型化以及提高系統(tǒng)傳輸性能、系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性必不可少。鍍膜空芯波導(dǎo)通過在毛細(xì)管內(nèi)部鍍金屬膜或介質(zhì)/金屬膜獲得，是一種有廣闊發(fā)展前景的太赫茲波導(dǎo)。本文研究太赫茲鍍膜空芯波導(dǎo)的理論與制備。理論分析鍍膜空芯波導(dǎo)在太赫茲波段的傳輸特性，研究波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)對傳輸特性的影響，從而提出波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。實(shí)驗(yàn)研究波導(dǎo)的制備，并

2、對波導(dǎo)的傳輸特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征。具體研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　1.利用徑向傳輸線模型和有限元方法，研究鍍膜空芯波導(dǎo)在太赫茲波段的傳輸特性，包括傳輸模式、模場分布、損耗特性、有效折射率、群速色散和耦合效率。揭示了鍍膜空芯波導(dǎo)對于傳輸能量的高束縛率，能量在空氣纖芯中的高束縛率一方面有效降低了傳輸損耗，另一方面使得波導(dǎo)具有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。通過比較金屬空芯波導(dǎo)和介質(zhì)/金屬空芯波導(dǎo)的傳輸特性，發(fā)現(xiàn)在金屬膜上鍍介質(zhì)膜可以明顯改善空芯波導(dǎo)傳

3、輸特性。
　　2.詳盡分析了金屬膜折射率、介質(zhì)膜折射牢和介質(zhì)膜吸收對鍍膜空芯波導(dǎo)傳輸特性的影響。介質(zhì)材料吸收是太赫茲波導(dǎo)研究中廣泛關(guān)注的問題之一。利用徑向傳輸線模型，分析了介質(zhì)材料吸收對空芯波導(dǎo)傳輸特性的影響，提出吸收介質(zhì)膜/金屬空芯波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。研究結(jié)果表明，相比于無吸收的理想介質(zhì)，吸收介質(zhì)的最優(yōu)膜厚變小，最優(yōu)折射率變大。綜合考慮了波導(dǎo)內(nèi)直徑、介質(zhì)膜折射率和傳輸波長等因素，分析了介質(zhì)膜的材料吸收容限。分析結(jié)果表明，吸收容限

4、隨波導(dǎo)內(nèi)直徑減小或傳輸波長增大而減小。當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)直徑和傳輸波長比值較小時(shí)，吸收容限可能不存在。
　　3.基于橢圓鍍膜空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)研究高雙折射太赫茲保偏波導(dǎo)，克服目前太赫茲保偏波導(dǎo)普遍存在的傳輸損耗大和能量束縛弱的問題。詳盡分析了橢圓金屬空芯波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)、截止波長、耦合系數(shù)、傳輸損耗、模式雙折射等參數(shù)。分析表明橢圓鍍銀空芯波導(dǎo)主要支持TE11X模式的傳輸。討論波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳輸損耗以及雙折射之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)理論。研究結(jié)果表明，橢圓度在2～4范圍是較好的選擇。研究并建立橢圓金屬空芯波導(dǎo)的制備方法。通過擠壓圓形PC基管，利用銀鏡反應(yīng)方法在其內(nèi)壁鍍銀膜，獲得橢圓鍍銀空芯波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)測試波導(dǎo)的保偏性能和傳輸損耗等特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明波導(dǎo)在傳輸中能很好地保持線偏振光的偏振態(tài)。測得長軸半徑2.42 mm，短軸半徑1.18 mm的波導(dǎo)，在0.65 THz處的傳輸損耗為0.79 dB/m。仿真表明該波導(dǎo)在0.3-1.5 THz頻段的模式雙折射在10-3-1

6、0-2數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)證實(shí)橢圓度越大的波導(dǎo)雙折射越高，然而傳輸損耗和耦合損耗也越大。波導(dǎo)彎曲對保偏性能幾乎沒有影響，彎曲損耗近似正比于曲率半徑1/R。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷對傳輸特性的影響。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明跑道形缺陷對傳輸損耗和雙折射沒有明顯影響。而半圓形缺陷引起傳輸損耗的增加。另外截面為半圓形的波導(dǎo)具有旋轉(zhuǎn)偏振方向的特性。
　　4.為了進(jìn)一步提高橢圓鍍膜空芯波導(dǎo)的傳輸特性，研究橢圓介質(zhì)/金屬高雙折射空芯波導(dǎo)。分析橢圓金屬空

7、芯波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)、截止波長、耦合系數(shù)、傳輸損耗、模式雙折射等參數(shù)。分析表明橢圓介質(zhì)/金屬空芯波導(dǎo)主要支持HE11X模式的傳輸。通過研究波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸特性的影響，提出橢圓介質(zhì)/金屬空芯波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論。結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究表明，對于雙折射和損耗，橢圓度在3左右是比較理想的選擇。雙折射和損耗都和（√ab）-3成正比，在選擇波導(dǎo)孔徑尺寸的時(shí)候，要權(quán)衡損耗和雙折射這兩個(gè)因素。提出基管外鍍金屬膜和基管內(nèi)鍍金屬膜兩種波導(dǎo)制備方法，利用液相鍍膜法和銀鏡

8、反應(yīng)法制備得到橢圓COP/Ag空芯波導(dǎo)。提出非均勻介質(zhì)膜空芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工藝制備方法。通過非均勻膜獲得較大的介質(zhì)膜厚并且增加兩個(gè)偏振的傳輸損耗差。初步研究了非均勻介質(zhì)膜/金屬空芯波導(dǎo)的損耗和雙折射。計(jì)算表明，該波導(dǎo)可以獲得10-2數(shù)量級的模式雙折射。對多層膜橢圓介質(zhì)/金屬空芯波導(dǎo)進(jìn)行了初步研究。理論上，多層膜結(jié)構(gòu)是獲得低損耗、高雙折射波導(dǎo)的有效途徑。然而介質(zhì)材料的吸收使得多層膜結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。
　　5.利用有限

9、元法，分析了亞波長孔徑介質(zhì)/金屬空芯波導(dǎo)在太赫茲波段的傳輸特性，并提出與大孔徑波導(dǎo)不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。該波導(dǎo)的主要優(yōu)點(diǎn)是對波的束縛能量強(qiáng)。波導(dǎo)具有穩(wěn)定的傳輸特性和較低傳輸損耗。亞波長空芯波導(dǎo)的最優(yōu)介質(zhì)膜厚和空芯孔徑有關(guān)，孔徑越大，最優(yōu)介質(zhì)膜厚越小。最優(yōu)介質(zhì)折射率也和空芯孔徑有關(guān)，孔徑越大，最優(yōu)介質(zhì)折射率越大。
　　綜上所述，鍍膜空芯波導(dǎo)通過內(nèi)膜的高反射率，將太赫茲波束縛在空氣纖芯中傳輸，傳輸損耗低，色散小，和波源的耦合效率高，波導(dǎo)