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太赫兹波导器件研究进展1
黄婉文1，李宝军2
1,2中山大学光电材料与技术国家重点实验室，光电及功能复合材料研究院，广州（510275）
E-mail: huangww_
湖北省简介
摘要：近年来，随着国际上掀起的太赫兹研究热，太赫兹科学技术的发展更为迅速。与此同时，以波导为基础的、用于太赫兹传输的器件应运而生，其中主要包括：太赫兹金属波导、太赫兹光子晶体波导、太赫兹光子晶体光纤、太赫兹聚合物波导、太赫兹塑料带状波导、太赫兹蓝宝石光纤等。为此，就国际上在太赫兹波导器件方面的研究进展和最新动态进行了较详细的论述分析及归纳总结。
关键词：太赫兹，波导器件，金属波导，光子晶体波导
1. 引言
太赫兹（Terahertz，简称THz）是指频率在0.3THz到10THz（1THz = 1012THz）范围内的电磁波。它
我要做手工介于毫米波与红外辐射之间（如图1所示），是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡领域。由于THz波所处的特殊位置，它有很多优越的特性和非常重要的学术研究和应用价值，使得世界各国都给予极大的关注。目前，已经在全世界范围内形成了一个THz科学技术的研究热潮。比如，2004年2月，美国技术评论期刊公布了未来影响世界的十大关键技术，THz科学技术位列第五。英国的Rutherford国家实验室、剑桥大学，德国的Karlsruhe、Braunschweig、Cohn、Hamburg等大学都在积极开展THz研究工作；欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型THz合作研究项目；俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划；在亚洲，日本于2005年1月8日公布了日本十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位；我国2005年11月，在北京召开了以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次香山科学会议。
目前国际上关于THz的研究主要集中在源的产生，探测，成像，传输，频谱等方面。在传输方面，由于THz波在自由空间中的传输损耗很大，因此，以波导为基础的THz器件就成了THz传输的重要基础，也是THz波能否广泛应用的关键。由于近年越来越多的科学家投入到该领域的研究中，因而出现了诸如THz金属波导、光子晶体波导、光子晶体光纤、聚合物波导、塑料带状波导和蓝宝石光纤等不同类型的THz波导器件，它们不但在传输性能方面愈显其优越性，而且体积越来越小，更便于制作成集成器件，下面分别对其进行论述。
1本文得到了高等学校博士学科点专项科研基金项目（No. 20040558009）的资助。
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图1 太赫兹在电磁波谱中的位置
2．太赫兹金属波导
THz传播中一个重要的问题是自由空间中的THz波与波导之间的耦合损耗以及THz在波导传播中的吸收、色散以及损耗等。金属丝因能有效降低吸收损耗而成为一种有前途的THz 波导。最近，McGowan等人成功地将THz波耦合进直径为240µm，长24mm的不锈钢金属波导中，并实现了范围在0.8-3.5THz、总能量吸收系数低于1cm-1的THz传播[1-2]。这种波导对THz的吸收损耗远低于如共面传输线等波导的损耗（在共面传输线波导中，THz波传播不到1cm就已经消失殆尽），其不足之处是TH
z波在其中传播的群速度色散较大。可喜的是2001年，Grischkowsky等人用平行平面金属波导[3]和对称共面的两金属丝[4]有效抑制了群速度色散的影响。图2是他们用铜材料制成的两平行平面金属波导，两平面厚12~24mm，相距108 μm。由于两平行的金属平面中，群速度随频率的变化不大，基本上不产生色散，所以它能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。
图2 平行平面金属波导示意图
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近两年，美国Rice大学Daniel M. Mittleman教授的研究组实现了更低色散、平均损耗系
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数小于0.03cm−1的不锈钢金属波导传输[5-7]，这是目前传输损耗最小的THz波导。图3是他们在2004年报道的、THz在直径为0.9mm的金属丝中的传播与探测图。图3(a)、(b)中，THz 波被耦合进金属丝的一端，分别经与其成90°和45°的平面镜反射后，由另一端金属丝输出和被探测，图3(c)是其实物示意图。这种裸金属丝的传输性质与最低阶电磁波在同轴电缆中的传播性质相似，传播模被很好地限制于金属丝中。所不同的是，由于金属丝没有同轴电缆外层的金属保护层，因此减小了群速度色散的限制。该研究组还用直径为0.9-6mm范围的金属丝做了实验[6]，发现金属丝的形状对THz波的传播性质影响不大，主要为电导率的影响。这些都表明，这种简易的波导很适合THz的传播。
图3 太赫兹波在金属丝波导中的传播与探测图
3．太赫兹光子晶体波导
近年来，另一新兴的THz波导研究领域是将光子晶体运用到THz的传播中。光子晶体（Photonic Crystal）是对其中传播的电磁波起到散射和衍射作用从而改变入射波传输性质的一种周期性介质。它存在一定的带隙，在此带隙频率范围中，电磁波无论沿哪个方向传播，都会截止。根据麦克斯韦方程，理论上可以通过设计光子晶体的晶格类型、晶格常数、占空比、周期数、所用材料的折射率等参数得到不同频率范围的禁带。利用光子晶体的这种性质，就可以制作出对特定波谱范围有透射或过滤作用的波导器件。目前，用于THz波传播的一维光子晶体[8]和三维光子晶体[9]都已产生，但比较常见的是THz二维光子晶体波导。图4给出了两种典型的二维光子晶体波导器件[10]，它们是由具有周期结构排列的金属柱或空气柱构成的，图4(a)中的金属圆柱为四角晶格排列，圆柱高70µm，直径60µm，晶格常数160µm，对1.692THz波透明；图4(b)中的空气圆孔为六角晶格排列，圆孔深40µm，直径60µm，晶格常数100µm，对1.692THz波吸收。可见，通过改变光子晶体的结构，可实现THz窄频带的导通与过滤功能。
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(a)
(b)
图4 两种典型的二维光子晶体扫描电镜照片
当在光子晶体中引入缺陷时，就会在原来不导通的带隙中出现共振本征模。例如点缺陷可看作是谐振腔，线缺陷可看作波导。图5是用SOI（silicon-on-insulator）材料制成的THz 光子晶体直波导[11]，它的总长为120µm，宽100µm，厚9.49µm，空气孔直径2.95µm，晶格常数3.89µm。THz波在其中传播表现出优越的导波性能，图6是用二维FDTD方法模拟得到的THz传播在其中的传播特性图。THz波能被很好地限制于线缺陷区域内，实验结果也表明，在直波导中实现了几乎零反射和零损耗的传输。由此可见，光子晶体十分适合于制作THz波导器件，不但因为它不但能让具有特定频率的波通过，而且损耗非常小。
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图5 具有直条波导的光子晶体扫描电镜照片
图6 用2D-FDTD方法模拟得到的SOI波导中的太赫兹不的传播情况丰满大坝
THz光子晶体波导不但在传输方面有良好的性能，而且还被运用于其它方面。例如在生物传感方面，THz光子晶体波导要比其它光谱的光子晶体光纤和空心共振反射光学波导更灵敏，对一些生物分子（如DNA）和其它微量元素（比一般探测小103倍）仍能探测得到[12-14]。图7是用于生物传感的两种二维光子晶体波导器件，它们是在六角晶格排列的空气柱GaAs 基板上引入了一排大小不一样的孔洞，并在孔洞中填入生物DNA介质，当THz波以一定的方向入射时，在原来能带截止的区域中会出现窄带的导通。填入不同分子介质，就可以得到不同的导通带隙，从而起到生物传感探测的作用。图8
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是实验中探测得到的结果，其中晶格常数a=60µm；空气柱半径r=0.4a。图8(a)是第一种光子晶体波导在吸收（实线，不填充物质）和不吸收（虚线，填充物质）1.9THz波段时的光谱图，缺陷的半径为0.45a；图8(b)是第二种光子晶体波导在吸收（实线，不填充物质）和不吸收（虚线，填充物质）1.6THz波段时的光谱图，缺陷的半径为0.3a。结果表明，物质填充前后，对特定THz波长的吸收和导通有明显的变化，从而实现了生物传感和探测。
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(a) (b)
图7 用于生物传感的光子晶体波导器件
(a)
(b)
图8 光子晶体中的光谱传播图
4．太赫兹光子晶体光纤
美丽的丝袜老师典型的光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）由作为导波功能的纤芯和空间周期性结构的包层组成，如图9(a)所示，中心可看作在二维光子晶体中引入缺陷，根据纤芯材料和包层周期性结构排列的不同，实现不同的光学传播性质。而其传输机制决定于纤芯与包层
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