李孟洋，孫文軍，孫京南，李 娟，支洪武

(哈爾濱師范大學)

波長在60～65 μm范圍內(nèi)TIR－PPCF的太赫茲波傳輸特性*

李孟洋，孫文軍，孫京南，李 娟，支洪武

(哈爾濱師范大學)

設計了基于全內(nèi)反射的實芯塑料光子晶體光纖(TIR－PPCF)，其晶格結構為三角形.利用時域有限差分法計算了TIR－PPCF在60～65 μm(4.6～5 THz)波段的色散、損耗等特性.計算結果表明TIR－PPCF在波長60～65 μm范圍內(nèi)可以實現(xiàn)THz波的低色散和低損耗的傳輸，且當占空比為0.5時，色散變化為0.12 ps/(km·nm)，最小損耗值為1.1dB/km.該結構的TIR－PPCF相對于其他結構的THz波傳輸介質(zhì)具有更平坦的色散特性和更低的損耗特性.研究結果對THz波光子晶體光纖的研究與應用提供了科學的借鑒.

塑料光子晶體光纖;時域有限差分;色散;損耗

0 引言

隨著THz技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，其對傳輸介質(zhì)的要求也越來越嚴格.近10年太赫茲波的傳輸介質(zhì)先后成為了各國科研人員的研究熱點.2002年的Applied Physics Letters報道了韓國浦項科技大學研究小組研究的光子晶體光纖的太赫茲波的傳輸特性［1］.美國的Rice大學研究小組實現(xiàn)了金屬傳輸線的THz波低色散低損耗的傳輸［2］，我國的南京郵電大學光通信研究所研究的光子晶體光纖也實現(xiàn)了THz波低色散和低損耗的傳輸［3－4］.光子晶體光纖根據(jù)導光原理可分為兩種:全內(nèi)反射型(Total Intemal Reflection，TIR)光子晶體光纖和光子帶隙型(Photonic Band Gap，PBG)光子晶體光纖，后者對于空氣孔排列的精準度有比較高的要求，所以對制作工藝要求高，難以實現(xiàn)［5］.上述文獻表明THz波在石英為介質(zhì)的光子晶體光纖中傳播損耗很大，而塑料為介質(zhì)的光子晶體光纖可以實現(xiàn)THz波的低損耗和低色散的傳輸.考慮到塑料良好柔韌性和低融化溫度，筆者設計一種以塑料為介質(zhì)的三角形晶格實芯光子晶體光纖，計算了該光纖在60～65 μm波段的太赫茲波傳輸特性，并比較了該結構與其他THz傳輸介質(zhì)的傳輸性能.

1 物理模型及計算方法

設計的基于全內(nèi)反射三角形塑料光子晶體光纖(TIR－PPCF)結構如圖1所示，其中d為空氣孔直徑，Λ為晶格常數(shù)，占空比d/Λ =0.5，Λ=50 μm.圓孔為空氣孔，光纖的塑料介質(zhì)折射率n=1.534.利用時域有限差分法(Finite－Difference Time － Domain，F(xiàn)DTD)［6－7］計算光纖的色散特性和損耗特性，其計算過程可簡單描述為把所研究的空間劃分成很多個網(wǎng)格單元(Δx，Δy，Δz)，即 Yee 提出 的 差 分 網(wǎng) 格，將Maxwell方程的兩個旋度方程在網(wǎng)格上作時間導數(shù)和空間導數(shù)的中心差分近似，代入到麥克斯韋方程，利用完全匹配層(PML)吸收邊界條件得到能量分布，最后進行傅立葉變換計算出電場分布與頻率的關系，得出色散曲線和損耗特性.

圖1 TIR－PPCF的截面圖

2 結果分析與討論

利用軟件分別計算了晶格常數(shù)為Λ=40 μm，Λ =45 μm，Λ =50 μm，Λ =55 μm，Λ =60 μm，Λ =65 μm， 占 空 比 分 別 為 d/Λ = 0.5，d/Λ =0.55 和d/Λ =0.6時，波長為60 ～ 65 μm的太赫茲波在設計的TIR－PPCF中的色散變化范圍和最小損耗值.圖2給出了計算結果，可以看出對于60～65 μm的THz波，當Λ值一定時，隨著d的減小，設計的TIR－PPCF的色散變化范圍和最小損耗值都在減小，且晶格常數(shù)d=50 μm時，所研究的太赫茲波的色散值和損耗值最小，其最小值分別為0.12 ps/(km·nm)和1.1 dB/km.

圖3 給出了當 Λ =50 μm、d/Λ =0.5 時，THz波在設計的TIR－PPCF中傳輸?shù)纳⒆兓蛽p耗特性，可見最小色散變化范圍為0.12 ps/(km·nm)，最小損耗值為 1.1 dB/km.圖4給出了THz波的模場分布圖，可見可以很好的將該波段的THz波束縛在纖芯內(nèi)傳播.表1給出了設計的TIR－PPCF與其他波導結構太赫茲傳輸特性比較，由表1可以看出，設計的TIRPPCF具有更低的色散和損耗特性.

圖 2 占空比為 0.5、0.55、0.6 時的色散曲線和最小損耗值

圖 3 Λ =50 μm d/Λ =0.5 TIR － PPCF的色散曲線和損耗曲線

表1 設計的TIR－PPCF與其他結構波導在色散變化值和最小損耗值上的比較

圖4 THz波在TIR－PPCF中的模場分布圖

3 結論

利用FDTD方法計算分析了基于全內(nèi)反射的 TIR － PPCF在60 ～ 65 μm(4.6 ～ 5.0 THz)波段內(nèi)，THz波的傳輸特性.當Λ值一定時，隨著d的減小，TIR－PPCF的色散變化范圍和最小損耗值都在減小，且晶格常數(shù)Λ =50 μm時，所研究的太赫茲波段波傳輸時色散值和損耗值最小，其最小值分別為0.12 ps/(km·nm)和1.1 dB/km，并且對該波段的THz波具有很強束縛能力，傳輸特性優(yōu)于金屬傳輸線和PBG－PPCF.

［1］Han H，Park H，Cho M.Terahertz Pulse Propagmion in a Plastic Photonic Crystal Fibers［J］.Appl Phys Lett，2002，80(15):2634－2636.

［2］Wang K L，Mittleman D M.Metal wires for terahertz waveguiding［J］.Nature，2004，432 －489.

［3］姜躍進，施偉華.新型THz波超平坦色散光子晶體光纖［J］.物理學報，2010，59(8):54 －58.

［4］吳昊，施偉華.新型太赫茲波塑料光子晶體光纖的色散特性［J］.光通信研究，2011，1(162):56 －60.

［5］Russell P St J.Recent progress in photortic crystal fiber［J］.Proc.OFC，2000，3:98 －1 00.

［6］Yu C P，Chang H C.Yee － mesh － based finite difference eigenmode solver witll PML absorbing boundary conditions for optical waveguides and photonic crystal fibers［J］.Optics Express，2004，12(25):6165 －6177.

［7］Marko Loncar.Design and fabrication of Silicon photonic crystal optical waveguides［J］.J Lightwave Technol，2000，18(10):1402－1411.

Transmission Characteristics of TIR－PPCF for THz at Wavelength of 60 ～ 65 μm

Li Mengyang，Sun Wenjun，Sun Jingnan，Li Juan，Zhi Hongwu
(Harbin Normal University)

The TIR－PPCF with triangular crystal lattice structure based on Total Internal Reflection principle is designed.The dispersion loss performances and other characteristics of TIR －PPCF are analyzed by using the method of the FDTD for THz wave.Calculated results show that the TIR －PPCF can achieve low dispersion and low loss transmission performance for THz wave within the wavelength of 60 ～65 μm(4.6 ～5.0 THz).When the ratio of air hole diameter(d)to crystal lattice constants(Λ)is 0.5，the dispersion change is 0.12 ps/(km·nm)，the minimum loss value is 1.1 dB/km.The designed TIR －PPCF exhibits more flat dispersion and more low loss compared with other transmission structures for THz wave.The researched results provide a scientific reference for THz wave's PCF investigation and application.

PPCF;FDTD;Dispersion;Loss

2011－04－18

*黑龍江省青年基金(QC06C043);哈爾濱青年基金(2006RFQXG055，08XYS－01);黑龍江省教育廳骨干教師項目(1251G031);哈爾濱師范大學預研項目(08XYS－01);黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項目(YJSCX2011－414HLJ)

(責任編輯:李佳云)