THz波段在硫系波导中的传输特性研究

密级：NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（2011—2015年）题目THz波段在硫系波导中的传输特性研究学院：理学院系物理系专业班级：应用物理111班学生姓名：李文琦学号：5502211031指导教师：邹林儿职称：副教授起讫日期：2015.01—2015.06南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：导师签名：日期：摘要ITHz波段在硫系波导中的传输特性研究专业：应用物理学号：5502211031学生姓名：李文琦指导教师：邹林儿摘要太赫兹（THz）波段是指频率范围0.1THz到10THz之间的电磁波，由于其频谱范围广、光子能量低、信噪比较高等特性，从而具有很高的学术研究以及实际应用价值，是近年来比较热门的研究项目之一。硫系玻璃具有相对于其他材料来说较高的非线性折射率，其透射性与光敏性较好，是理想的光波导材料之一。对THz波段的研究项目有很多，但目前针对THz波段在硫系波导中的传输特性方面研究较少。本文中主要对THz波段在As2S3脊型波导中的传输特性进行了研究。本文采用有限元法，通过COMSOLMuitiphysics软件设计出以As2S3为芯层材料的脊型波导模型，并结合MATLAB软件对获得的数据进行后处理，计算分析了不同尺寸下，THz脊型硫系波导有效折射率、群速度色散与有效模场面积的参数。关键词：太赫兹；硫系波导；有限元法；传输特性AbstractIIStudyonPropagationCharacteristicsofChalcogenideGlassWaveguideinTHzFrequenciesAbstractTheterahertz(THz)frequenciesreferstothefrequencyrangeofelectromagneticwavesbetween0.1THzto10THz.Theterahertz(THz)frequencieshaswidefrequencyspectrum,lowphotonsenergy,highsignaltonoiseratioandothercharacteristics,soastohaveahighacademicresearchvalueandapracticalapplicationsvalue.Theterahertz(THz)frequenciesisapopularresearchprojectsinrecentyears.Comparingwithothermaterials,Chalcogenideglasshashighernonlinearrefractiveindex,bettertransmittanceandphotosensitivity.Itisoneoftheidealopticalwaveguidematerials.TheresearchprojectsofTHzregionaremany,butthestudyonthetransmissioncharacteristicsofTHzwavebandinchalcogenidewaveguideislesscurrently.ThestudyinthisarticlefocusesonthetransmissioncharacteristicsofTHzinAs2S3ridgedwaveguide.Basedonthefiniteelementmethod,IusedAs2S3tothecorematerialanddesignedtheridgewaveguidemodelbyCOMSOLMuitiphysicssoftwareinthispaper.AndcombinedwithMATLABsoftware,Iprocessedtheobtaineddata,thencalculatedandanalyzedtheeffectiverefractiveindex,groupvelocitydispersionparametersandeffectivemodeareaoftheTHzridgedwaveguideinthedifferentsizes.Keyword:Terahertz;ChalcogenideWaveguide;TheFiniteElementMethod;TransmissionCharacteristics.目录III目录摘要····························································································ⅠAbstract························································································Ⅱ第一章绪论···················································································11.1THz技术概述······································································11.2THz波段特点······································································11.3THz技术的应用领域·····························································11.4THz技术的研究现状·····························································21.5论文主要内容及工作·····························································2第二章基于有限元法对硫系脊型波导的设计与仿真································42.1硫系波导简介······································································42.2脊型硫系波导的几何结构·······················································52.3有限元法简介······································································62.4THz波段在硫系波导中传输特性的仿真·····································8第三章脊型硫系波导传输特性的分析与讨论·······································103.1不同尺寸脊波导有效折射率与波长的关系·································103.2不同尺寸脊波导色散参量与波长的关系····································123.3不同尺寸脊波导群速度色散GVD与波长的关系·························133.4不同尺寸脊波导有效模场面积与波长的关系······························15总结····························································································19致谢····························································································20参考文献（References）···································································21第一章绪论-1-第一章绪论1.1THz技术概述科学家对太赫兹（THz）波段的研究开始于上个世纪初期，“Terahertz”一词首次是由fleming于上个世纪七十年代提出，是以用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围[1]。但是在这之后的一段时期，特别是相对于微波学以及光学等研究的迅速发展并相对成熟，对太赫兹（THz）波段的研究与发展非常缓慢，这一方面是在于没有可靠稳定的产生机制与有效的检测方法，另一方面，太赫兹器件发展的不成熟也极大地束缚了对太赫兹波段的进一步深入探索。1.2THz波段特点太赫兹（THz）波段的电磁频谱比较宽广，其波长范围达10个数量级。太赫兹（THz）的波段位于微波和红外辐射之间，属于毫米波、亚毫米波，在以前，科学家们也称太赫兹（THz）波段为远红外射线。一般来说，太赫兹波段的频率范围在0.1THz到10THz之间，波长范围介于30μm至3000μm之间。太赫兹波（THz）具有许多优秀的特性，例如：太赫兹波段在穿透物质时衰减的辐射能较小，且太赫兹波的光子能量非常低，频率在1THz的THz波所具有的光子能量大约在4meV，大约只有X射线的百分之一，对大部分的被检测物质不会造成损害。同时太赫兹频谱的峰值功率很高，由于相干探测技术采集获取的频率为THz脉冲的实时频率，这就使得太赫兹波具有极高的信噪比，非常适用于成像。这些特性使得太赫兹技术无论在学术研究方面还是实际应用方面都具有非常大价值与潜力，从而引起越来越多的科学家对其广泛关注，国际内外也有越来越多的研究人员投入到对太赫兹波段的研究中来。1.3THz技术的应用领域近些年来，太赫兹（THz）技术成为比较热门的一个研究领域，特别是近些年来超快激光技术发展比较迅速，这为太赫兹（THz）技术的产生提供了稳定性能较好的激发光源，大大推动了太赫兹（THz）技术的研究进展。而太赫兹（THz）技术独特的性能特点，也决定了这项技术在诸如生物医学、微电子、基础物理、环境监测以及信息通讯等领域有着广阔的发展潜力。例如，在医学方面，因为太赫兹波段信噪比较高，适用于成像技术，所以在医学成像方面具有很大的应用潜第一章绪论-2-力；在生物方面，利用太赫兹的频率共振，可以对许多生物进行DNA方面的信息检测，从而进行在农业、食品工程方面应用前景广阔[2]；在通讯方面，太赫兹波具有大量携带信息的能力，且传输速度极高，远超出现代的宽带技术，可以实现卫星大容量的信息传输功能[3]；此外，太赫兹波穿透力较强，可以透过烟雾等在环境方面进行有害物质的检测，也可以在对于大部分被检测物质不会造成损害的情况下进行相关检测，适合应用于海关、安保等领域[4]。1.4THz技术的研究现状对于太赫兹波的广泛研究开始于20世纪80年代以后，目前已经有许多研究机构在这项科研工作中取得了突破。20世纪80年代，AT＆T、Bell以及T.J.Watson公司发展出了非常有效的测试技术——太赫兹时域光谱技术。90年代开始美国伦斯勒理工学院对太赫兹在光谱和