毕业论文--平板波导在THz光传导的应用 

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1、平板波导在THz光传导的应用1.研究背景Thz光辐射是非电离性的能够穿透储水之外的非金属材料。尽管在处理THz光遇到了各种困难，但由于THz光的独特的性质，使得它在成像，天文，安全，医疗诊断等等中有着广泛的应用。在THz系统中最大的挑战是缺乏高效的，能够被集成的有源或者无源器件。传统的THz频段波导受困于高的损耗和色散。波导的损耗主要是由金属的欧姆损耗和非金属的吸收损耗。在THz波段，欧姆损耗非常高，是由于导体的表面电阻随着光频率的增加而增加（Rs=wμ/2σ其中w是光频率，μ，2σ分别为导体的磁导率和电导率）。光在介质中的损耗主要来源是：Drude机制、介电弛豫和晶格

2、振动。光在传输过程中的色散主要来源于群速度和波导的特性是频率相关的。根据一般性的指导原则（低色散和低损耗）寻找合适的光波导是一个吸引了大量关注的热门研究领域。一个理想的光波导应该没有损耗没有色散易于与其它期间集成。基于此本文提出了两种THz波段的传输波导。2.研究现状迄今为止太赫兹波导是基于在空气中传输的大光场，如金属线，电介质包覆的金属中空纤维，平行板波导，以及电介质波导管。金属丝可以在几乎没有色散和损耗系数是约3m-1的情况下引导宽带太赫兹脉冲。银/聚苯乙烯包覆的中空波导表现出0.95dB/m的损耗系数传播频率为2.5THz的光。平行板波导和电介质管波导都可以在具有

3、非常低的损耗条件下引导太赫兹光，并且其损耗系数分别可以低至2.6dB/Km和0.08m-1。JiaminLiu,HuaweiLiang等提出了一种波导能够以低损耗，窄光束传输宽带太赫兹光的双介质平板。S.AliMalekabadi，F.Boone等提出了一种基于高阻硅材料的能够低损耗低色散地传输太赫兹波段的平板波导。3.技术原理、实现方案a)基于高阻硅材料的平板波导这种基于高阻硅材料的平板波导的结构图如图一所示，平板波导的厚度图一：基于高阻材料的平板光波导的结构图，波的传播方向沿着z方向。信号光照亮平板波导的侧壁中图案所填充的圆形区域。为d，其宽度和长度均为可调的，高阻

4、硅材料的相对介电常数和相对磁化率分别为εrμr。在电介质平板波导中不像金属平板波导，截止频率定为光在波导中传输没有衰减。考虑理想电介质，光传播时的衰减必须从光从平板波导中辐射出的光计算得到。其中截止频率（最低的无损耗传输频率），可以通过fc=n2dϵ1μ1-ϵ0μ0计算得到，其中n=0,1,2,…对于TEn和TMn都可由此计算得到。需要注意的一点事对于TE0和TM0，截止频率都是0。这里只考虑TM模式，其中电场沿着x方向偏振。如图一所示，从光电导传过来的信号光，会照亮硅平板波导侧壁的圆形区域。这个圆形区域的面积约为200μm.当太赫兹信号进入硅平板波导，光束宽度开始扩展

5、。因为信号光会通过一系列抛物面镜聚集在光波导的另一侧，形成一个和输入一样大小的光斑，向两侧传播的光则会成为一个损失源。这个现象被绘制在图二中了，其中两个图中的高阻抗硅波导使用了不同的宽度（w=250μm和w=1mm）,传输的S参数之间的差异是由于不同的回波损耗和太赫兹光束展宽损耗。通过减光波导的宽度来改变照射点的顺序，可以使光束展宽损耗最小化。图二：在不同宽度（w=250μm和w=1mm）的平板波导中传输光的光场分布图a)双电介质平板波导1.双电介质平板波导的结构图，绘制在图三中，其中波导的宽度被设为无穷大。图三：双电介质平板波导的结构当TE模沿着在z轴正向传播，在波导

6、中的奇模场偶模场以通过下面的公式给出:奇模：偶模：其中A和不同模式的功率相联系，h1=(n02k02-β2)12，h2=(β2-n22k02)12，h,3=(β2-n32k02)12，n1，n2，n3是折射率，β是复传播常数，k0是真空波矢。由于电场的切向分量连续我们可以得到奇模和偶模的色散方程。奇模：偶模：使用方程（3）和（4）我们可以分别计算得到奇模和偶模的传播常数。那么损耗系数和有效折射率也就可以得到了，基于传播常数我们可以通过方程1,2得到不同模式的场分布。1.双介质平板波导的TE模特征这个平板波导使用材料是折射率为n2=ε2的掺杂硅，在两个外层平板硅之间的材料

7、是空气，折射率n1=n3=1。硅的介电常数ε2通过Drude模型给出。其中ε∞=11.7是高频介电常数，wp为等离子震荡频率，wr是阻尼频率，w是太赫兹波的角频率，这里我们所使用的掺杂硅wp=0.01*10^12Hz,wr=0.67*10^12Hz。1.主要技术性能a)基于高阻硅材料的平板波导为了测试这个波导的性能，我们建造了一个太赫兹时域光谱系统如图四所示：图四：（a）测量系统，（b）和（c）演示太赫兹光到达波导界面其中太赫兹光波是通过一个光电导天线产生。为了将太赫兹广播耦合进光波导我们使用了如图四（C）所示的平圆柱形硅透镜。这个平圆柱