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太赫兹波处于毫米波和红外线之间,是电磁波谱中的最后一个空频段,具有非常重要的学术和应用价值。太赫兹波在自由空间中传播的损耗非常大,同时波的传播方向不易控制,目前已经对金属丝波导、光子晶体波导、聚合物波导和蓝宝石光纤等不同类型的太赫兹波导进行了研究,但是如何让太赫兹波在波导中低损耗低色散的传播还是一个很大的挑战,光子晶体太赫兹波导和其他波导相比有着低损耗低色散等优点。因此,研究新型光子晶体太赫兹波导,对于发展太赫兹技术具有重要意义。
本文提出了一种新型光子晶体太赫兹波导,选取在太赫兹波段损耗较小的高阻硅作衬底、甲基戊烯聚合物(TPX)材料作纤芯,包层中掺入负折射率介质,设计了三角晶格和正方晶格两种新型负折射率介质光子晶体太赫兹波导。首先采用平面波法(PWM)研究负折射率介质光子晶体太赫兹波导的带隙和导波特性,并与传统空气孔型光子晶体太赫兹波导进行比较,结果表明三角晶格负折射率介质光子晶体太赫兹波导较容易产生带隙且导波特性较好;接着,采用频域有限差分法(FDFD)研究负折射率介质光子晶体太赫兹波导的损耗特性,结果表明正方晶格负折射介质光子晶体太赫兹波导损耗特性较好;然后,采用时域有限差分法(FDTD)研究负折射率介质光子晶体太赫兹波导的色散特性,结果表明正方晶格负折射介质光子晶体太赫兹波导色散特性较好。最后通过选取合适的参数,得到最低损耗为1.2dB/km、3μm范围内-1.2~0.5 ps /(nm, km)左右的较小色散的正方晶格负折射率介质光子晶体太赫兹波导,并讨论它在通信系统中的潜在应用。
本文提出的负折射率介质光子晶体太赫兹波导是一种适合太赫兹波传输的光子带隙效应型波导,在太赫兹波段具有损耗小、色散低等优点。而且尺寸较大,结构易实现,在未来的太赫兹通信领域将有着广泛的应用前景。