太赫兹金属波导的传输与耦合

发布时间：2020-05-07 13:27

【摘要】：太赫兹科技在无线通信、安全监测、非破坏性成像、传感等方面具有很大的应用前景。这些广泛的应用都基于多种多样的太赫兹功能器件。其中一个最基本最重要的器件就是太赫兹波导。顾名思义,太赫兹波导是用来指导太赫兹波传输的,可以把太赫兹波从一个地方传输到需要到达的另一个地方。研究人员目前对此正在进行广泛且深入的研究,提出了各种各样的波导结构,以及许多基于太赫兹波导的功能器件。根据导波材料的不同,在太赫兹波段主要有三种类型的波导:1、金属波导,2、金属-电介质波导,3、纯电介质波导。波导的传输损耗是评价其性能的重要指标。除此之外,波导耦合也是一个重要的研究热点。本博士论文研究了太赫兹波在波导中的传输与耦合现象。提出了基于平行平板金属波导的太赫兹T形腔的消逝共振模模型,对其共振特性进行理论分析,解释了其共振的物理本质。此外,在太赫兹金属波导和纯电介质波导研究的基础上,提出了新的太赫兹波导结构。研究了该种新型波导的余弦-高斯模的传输损耗以及与高斯光束的耦合问题。最后设计了一个椭圆-双曲形连接器,大大提高了太赫兹高斯光束到双曲线形波导的耦合效率。本博士论文主要工作有以下三点:1.提出了基于平行平板金属波导的太赫兹T形腔的消逝共振模模型,揭示了其共振现象的本质。对于基于平行平板金属波导的T形腔,其功率透射谱有一个透射谷,在共振处透过率几乎为零。这个特点使其在传感和滤波方面具有重要应用。Mittleman等人用模式匹配法分析这种共振现象,陈等人称这种共振模为表面腔模。但是仍然缺少一个合理的解释。我们提出的消逝共振模主要由T形交叉区域的传输波和交叉区域以外的三个消逝波组成。由于平行平板波导基模之间的正交性,在共振频率处,入射的TE_1模的太赫兹波不能耦合到T形腔,这合理地解释了该共振现象。此外还发现共振频率与T形腔的几何参数之间具有复杂的关系。理论的共振频率、共振电场与模拟的符合得很好。该工作有以下几个创新点:(a)消逝共振模模型能很好地解释T形腔的共振现象。当激发TE_2类消逝共振模时,由于平行平板波导基模之间的正交性,入射的TE_1本征模无法耦合到T形腔。大部分入射波的能量被反射,一小部分被局域在T形腔里,几乎没有能量透射过去。(b)共振频率与T形腔的几何参数之间具有复杂的关系。平板间距对共振频率具有很大的影响,槽的宽度对共振频率具有很小的影响,槽的深度对共振频率几乎没有影响。为了避免槽里面的非消逝模,平板间距必须大于两倍的槽的宽度。(c)除了成功地解释了TE_2类消逝共振模,我们还预言了TE_1类和TE_3类消逝共振模的存在。其中TE_1类消逝共振模被完全局域在T形腔内。2.提出一种多切片电介质填充的矩形金属太赫兹波导的余弦-高斯模在太赫兹波段,矩形金属波导的TE_(01)模具有较低的损耗。然而,其模式场在一个方向上几乎不变,与高斯光束不匹配。光纤的基模是高斯形的,与高斯光束具有较高的匹配度,但是由于电介质材料的引入,其传输损耗比较高。基于矩形金属波导的TE_(01)模和光纤的高斯模,我们提出了多切片电介质填充的矩形金属波导的余弦-高斯模。首先理论分析了理想情况下梯度折射率分布填充的方法,并对其特性进行研究。然后根据有效介质理论提出了用多切片电介质实现梯度折射率分布的方法。研究结果表明余弦-高斯模与高斯光束具有较高的耦合效率,同时具有较低的传输损耗。该工作有以下几个创新点:(a)根据光纤基模的高斯近似分析方法和矩形金属波导的分析方法,理论上建立了梯度折射率分布的电介质填充的矩形金属波导的本征方程。并数值求解了其模式场分布和有效折射率。(b)余弦-高斯模与高斯光束在形状和偏振上非常相似,因此它们具有更好的模式叠加,耦合效率也比较高。(c)余弦-高斯模在一个方向上高斯形的场分布导致金属边界上电场的场值相对较小,这样就减小了由于金属而引起的欧姆损耗。余弦-高斯模具有较低的传输损耗。(d)用多片的电介质对结构来实现梯度电介质分布。由于空气的引入,减小了电介质材料引起的等效损耗。3.设计了用于提高高斯光束到双曲线金属波导的耦合效率的椭圆-双曲线形太赫兹连接器。双曲线形金属波导可以实现太赫兹波的场增强和聚焦。但是双曲线形金属波导的本征模具有椭圆偏振的电场,与线性偏振的高斯光束耦合效率不高。椭圆-双曲线形金属波导可以把矩形金属波导的TE_(01)模绝热地转化成双曲线波导的椭圆偏振模。根据WKB近似,在缓慢的变化过程中,可以忽略入射波的反射和散射。相比椭圆偏振模,矩形波导的TE_(01)模是线性偏振的,与高斯光束的耦合效率比较高。该工作有以下几个创新点:(a)矩形金属波导的TE_(01)模被绝热地转化成双曲线形金属波导的椭圆偏振模。(b)通过椭圆-双曲线形连接器,高斯光束与双曲线形金属波导的耦合效率被大大提高。本论文包含了我们在太赫兹金属波导方面的研究工作,重点阐述了基于平行平板金属波导的太赫兹T形腔的消逝共振模模型、多片电介质填充的矩形金属波导的余弦-高斯模的特性、高斯光束通过椭圆-双曲线形连接器与双曲线金属波导的耦合。这些研究成果在滤波器,传感器,波分复用等领域具有一定的应用前景。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.4

【参考文献】