CN111051939B

CN111051939B - 基于玻璃的太赫兹光学波导及其形成方法

Info

Publication number: CN111051939B
Application number: CN201880053370.8A
Authority: CN
Inventors: 李明军; G·R·特罗特
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2038-08-20
Also published as: CN111051939A; KR20200038519A; EP3669218A1; WO2019036706A1; TWI794271B; US11467334B2; TW201919884A; US20200174180A1

Abstract

本文所揭示的基于玻璃的THz光学波导(10)用于引导THz频率为0.1THz至10THz的光学信号，并且包括被包层(30)围绕的纤芯(20)。纤芯具有30μm至10mm的直径D1，并且是由折射率n₁的熔凝二氧化硅玻璃制造的。包层由聚合物或者玻璃或玻璃烟炱制造，并且具有折射率n₂<n₁和外直径D2为100μm至12mm。可以采用基于光纤、陶瓷和烟炱的技术的延伸的工艺，来形成THz光学波导。在一个例子中，THz波导在100GHz的介电损耗D_f<0.005。

Description

基于玻璃的太赫兹光学波导及其形成方法

本申请根据35 U.S.C.§119，要求2017年8月18日提交的美国临时申请系列第62/547,342号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术领域

本公开内容涉及光学波导，具体来说，涉及运行在太赫兹波长的基于玻璃的光学波导及其形成方法。

背景技术

光学通讯系统通常运行在波长约为1000nm至2000nm的电磁谱的近红外波段。其他类型的通讯系统(例如，手机系统)运行在约3kHz至60GHz的电磁(EM)谱的无线电波段，计划将该范围延伸至微波段，这延伸至最高达约300GHz。现有技术开发的基于CMOS的EM辐射源和能够运行在大于100GHz频率的接收器已经部分实现了移动到越来越高的RF和微波频率。

通常，认为EM谱的太赫兹波长范围是0.1THz(＝100GHz)至10THz(10000GHz)，对应的自由空间波长表示为λ_o并且范围是3mm至0.03mm。在具有介电常数的实部ε_r的介电材料中，波长λ表示为λ＝λ_o/(ε_r)^1/2。更一般地，介电常数表示为ε_r＝ε_r+iε_i，式中，ε_i是介电常数的虚部或损耗部。因此，太赫兹(“THz”)波导可用于限制和传输THz光学信号从源位置到接收器位置。对于100GHz＝0.1THz的光学信号，实心(solid)熔凝二氧化硅中的对应波长是约1.5mm。在300GHz＝0.3THz，对应波长是约0.5mm。

大部分的THz波导是由金属或者塑料制造的，而不是由玻璃制造的，因为大部分的玻璃的透射率在THz频率不是特别好。虽然熔凝二氧化硅玻璃在THz频率具有较好的透射率，但是其相比于金属和塑料是较为脆性的，并且因此使得其难以形成商业上可行的THz波导产品。换言之，商业上可行的THz波导产品需要同时具有足够低的THz频率范围中的损耗并且是机械上牢固的，从而可以在宽范围的环境中长期运行。

发明内容

本公开内容的一个方面涉及形成基于玻璃的THz波导的方法。THz波导可以采用如下工艺形成，所述工艺是用于挠性机械形式的熔凝二氧化硅、陶瓷Al₂O₃或ULE材料的基于光纤、陶瓷和烟炱的技术的延伸。在例子中，用于形成THz波导的材料或多种材料在100GHz或者0.1至10THz的THz频率范围内的介电损耗D_f＝ε_i/ε_r<0.005。

本公开内容的一个方面是用于引导光学信号的THz波导，所述光学信号具有0.1THz至10THz的THz频率。THz波导包括：直径D1是30μm至10mm的纤芯，所述纤芯包含熔凝二氧化硅玻璃或者由熔凝二氧化硅玻璃构成，并且具有折射率n₁；以及紧邻围绕纤芯的包层，所述包层包含聚合物或玻璃或玻璃烟炱或者由聚合物或玻璃或玻璃烟炱构成，并且具有折射率n₂<n₁以及100μm至12mm的外直径D2。

本公开内容的另一个方面是THz数据传输系统，其包括：上文所述的THz波导，且具有第一端和第二端；以可操作方式连接到第一端的THz源；和光学连接到第二端的THz接收器。

本公开内容的另一个方面是用于引导THz信号的平面状THz波导，所述THz信号具有0.1THz至10THz的THz频率。平面状THz波导包括：纤芯，所述纤芯由折射率n₁的熔凝二氧化硅片所限定并且具有相对的第一和第二平坦表面和30μm至10mm的厚度；以及包层，所述包层由第一和第二平坦层限定，分别布置在与纤芯的第一和第二平坦表面紧邻，所述第一和第二层包含聚合物或玻璃或玻璃烟炱，且具有折射率n₂<n₁，所述第一和第二层限定了100μm至12mm的外尺寸D2。

本公开内容的另一个方面是形成THz波导的方法，所述THz波导能够运行在频率范围是0.1THz至10THz的THz波导。方法包括：用预制件包层围绕熔凝二氧化硅预制件纤芯，所述熔凝二氧化硅预制件纤芯具有第一折射率n₁，所述预制件包层具有第二折射率n₂<n₁，从而形成了THz波导预制件，其中，预制件包层包含聚合物或者包含玻璃形式的熔凝二氧化硅和烟炱形式的熔凝二氧化硅中的至少一种；以及拉制THz波导预制件以形成THz波导，其中，THz波导包括：a)波导纤芯，其由熔凝二氧化硅预制件纤芯形成且具有30μm至10mm的直径D1，所述纤芯包含熔凝二氧化硅玻璃或者由熔凝二氧化硅玻璃构成，且具有折射率n1；和b)波导包层，其紧邻围绕波导纤芯且由预制件包层形成，所述波导包层具有100μm至12mm的外直径D2。

在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域技术人员而言是显而易见的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。

附图说明

所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图显示了一个或多个实施方式，并与详细描述一起用来解释各种实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下详细描述会更好地理解本公开，其中：

图1A和1B是本文所揭示的THz波导的两个大体例子的放大正视图；

图2A至2D是采用熔凝二氧化硅纤芯和微结构化包层的THz波导的四种不同示例性实施方式的x-y横截面图；

图3A是采用实心(solid)二氧化硅纤芯、低密度二氧化硅包层和围绕包层的薄的保护涂层的示例性THz波导的横截面图；

图3B与图3A类似，显示了梯度折射率包层的例子；

图3C是支撑在印刷电路板上的示例性板坯状THz波导的放大图，显示了可用于输送和接受通过THz波导的传导特征体；

图4A至4D显示采用堆叠工艺形成THz波导预制件的示例性方法；

图5A至5C是横截面图，显示了采用烧结工艺形成THz波导预制件的示例性方法；

图6A和6B显示采用钻孔工艺形成THz波导预制件的示例性方法；

图7A和7B显示通过如下方式形成THz波导预制件的示例性方法：将烟炱糊料挤出通过模头以形成烟炱结构，然后将烟炱结构切割成段并对挤出的烟炱结构段进行烧结；

图8是玻璃烟台材料中的烧结烟炱与未烧结烟炱的比例FSS与烟炱材料的介电常数ε₁的关系图，显示了烟炱材料的介电常数会如何随着比例FSS变化；

图9是可用于如本文所揭示从THz波导预制件形成THz波导的示例性拉制系统的示意图；以及

图10是采用本文所揭示的THz波导的示例性高速THz传输系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本公开的各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似的部分。附图不一定成比例，并且本领域技术人员会理解对附图做出简化以显示本发明的关键方面。

如下所附的权利要求书结合在该具体实施方式中并构成其部分。

出于参考的缘故在某些附图中显示笛卡尔坐标，它们并不旨在限制方向或朝向。

总体要求

图1A和1B是本文所揭示的THz波导10的两个总体例子的放大正视图，其具体例子在下文中进行讨论。出于参考缘故，显示了笛卡尔坐标。在图1A中，还显示了x-y平面中的径向坐标r。

THz波导10具有中心线AC，其沿着波导纵向向下(即，所示的z方向)。THz波导10具有：纤芯区域(“纤芯”)20，其具有端面22和外表面24；以及包层区域(“包层”)30，其紧邻围绕纤芯的外表面，纤芯和包层的中心位于中心线AC上。包层30具有端面32和外表面34。端面22和32限定了THz波导10的端面12。

纤芯20和包层30可以分别被称作波导纤芯和波导包层，从而与下文介绍和讨论的预制件纤芯和预制件包层区分开来。

在图1A的例子中，纤芯20具有圆形横截面形状，而包层30具有环状或圆环横截面形状，纤芯具有直径D1以及包层具有外直径D2。包层30具有环状宽度W＝(D2-D1)/2。在图1B的例子中，纤芯20具有矩形横截面形状，同时包层30具有矩形环横截面形状。也可以采用其他横截面形状。

在一个例子中，纤芯20包含玻璃，并且在其他例子中，可以仅由玻璃构成。纤芯20具有第一介电常数或者纤芯介电常数ε₁。在一个例子中，包层30包含玻璃，并且在其他例子中，可以仅由玻璃构成。在其他例子中，包层30包含聚合物或者仅由聚合物构成。包层30具有第二介电常数或者包层介电常数ε₂<ε₁使得n₁<n₂，式中，n₁＝(ε₁/ε₀)^1/2以及n₁是纤芯的折射率而n₂＝(ε₂/ε₀)^1/2是包层的折射率，以及其中，ε₀是自由空间的介电常数。

在一个例子中，纤芯介电常数ε₁(以及由此纤芯折射率n₁)会随着距离中心线AC的距离函数(例如，图1A中的半径r的函数)发生变化。纤芯20和包层30的横截面形状可以分别如图1A和1B所示是圆形或者矩形，并且也可以是板坯状或者其他合理的横截面形状。

本文公开了多种方法来降低包层30的介电常数ε₂使得ε₂<ε₁。这些方法可以包括：毛细管的堆叠和拉制，预制件的纤芯钻孔，条带浇铸，或者挤出烟炱到HPFS纤芯层上，如下文更详细描述。

在一个例子中，保护涂层40紧邻围绕包层30的外表面34。在一个例子中，保护涂层40包括耐环境材料的一层或多层。在一个例子中，保护涂层40限定了气密密封以防止水分进入包层30。在另一个例子中，保护涂层40可以是由金属制造的连续传导层，这可以改变THz波导10的模性质。在一个例子中，保护涂层40防止外部物体与包层30和纤芯20发生会导致传输损耗的物理接触。保护涂层40还可以由设计成保护THz波导10不发生物理机械损坏的材料(例如，聚合物)制成。在一个例子中，可以采用激光剥皮和激光切割工艺，以大量制备波导端面12。

在一个例子中，保护涂层40包括薄的无氢粘结材料，其可以在用于形成THz波导10的拉制过程期间进行施涂。在一个例子中，通过如下方式形成保护涂层40：采用等离子体喷溅工具，之后用施涂标准聚合物缓冲涂料的工具来提供机械保护。等离子体涂层确保了用于包层30的玻璃材料的气密粘合。在一个例子中，可以使用与包层中的SiO₂外层反应的碳等离子体来形成SiC外皮。在另一个例子中，通过增加的源材料气体流动，可以注入等离子体来产生分开的SiC或钻石状碳(DLC)或氮化硅(SiNx)的外涂层。在一个例子中，可以将亲水性单层视作类似于六甲基二硅氮烷(HMDS)或者是等价的。

在一个例子中，THz波导10在100GHz的介电损耗D_f<0.005，并且是足够挠性从而弯曲成曲线状。在另一个例子中，在100GHz的介电损耗D_f<0.0025。

在一个例子中，纤芯20和包层30由以下至少一种形成：玻璃形式的熔凝二氧化硅、烟炱形式的熔凝二氧化硅、Al₂O₃、超低膨胀(ULE)玻璃或者ULE烟炱，例如，<10％TiO₂。此处，“ULE”表示热膨胀系数小于3x10^-8/℃。

如果使用烟炱作为材料，则其可以挤出以及部分或完全烧结来去掉水，以及从火焰水解过程留下有机物。如果部分烧结的话，则在烧结过程中形成的空穴会被低损耗蒸汽或聚合物填充，从而提供具有良好的机械断裂韧度的“纤维玻璃”。

如果使用熔凝二氧化硅玻璃的话，则包层30可以包含微结构100，如下文更详细描述。在一个例子中，微结构100包括纵向延伸的空气线102(也被称作“气线”或“空气孔”或“空穴”)，其可以经过加工以实现选定的包层介电常数ε₂。微结构100还可以构造成降低弯曲损耗。在另一个例子中，纤芯20可以具有径向变化的介电常数ε₁(r)(例如，径向梯度)。在另一个例子中，可以使用采用了熔凝二氧化硅饵棒加上挤出烟炱包层的组合。在一个例子中，可以使用旋转工艺来产生密度变化，这转变为纤芯介电常数ε₁的变化，并由此转变为纤芯折射率n₁的变化。在另一个例子中，纤芯20和包层30可以由实心材料制造，即，没有诸如空气线或类似袋状物、腔体等的微结构，例如如下图3A和3B所示。

光纤微结构构造成在光学频率(例如，约2x10⁵GHz(1500nm波长)至6x10⁵GHz(500nm波长))运行，这是已知的。光子晶体光纤是一种此类光纤。但是，当对于传输信号通过材料时，THz频率明显不同于光学频率。关于THz频率的损耗机制以及具有低损耗的材料的信息都是稀缺的。此外，仅存在一些典型已知的THz波长的低损耗材料。两种此类材料是熔凝二氧化硅和聚四氟乙烯(PTFE)，分别在100GHz具有约0.005或更小的介电损耗D_f。

不幸的是，采用这两种材料中的任一种来形成商业上可行的THz波导产品都是有问题的。熔凝二氧化硅玻璃是易碎的，并且因此会容易发生破裂。PTFE难以工作，因为其他材料无法容易地与其发生粘附，并且其在高的工作温度下不是尺寸稳定的。落入软玻璃种类的材料(即，较高的热膨胀系数和较低的融化温度)不具有足够小的介电损耗D_f从而在有意义的距离上传输THz信号。

本文所揭示的THz波导10使用前述材料(例如，玻璃和PTFE)，其在理论上具有良好的THz传输性质，但是其机械性质在目前来说阻碍了它们用于商业上可行的THz波导产品，即，具有可接受的低介电损耗D_f的同时具有牢固的机械性质。

光学频率光子晶体光纤需要以规则且严格阵列排列的引导结构。另一方面，THz波导对于周期边界条件不是特别敏感，并且由此它们的制造不是那么严格。此外，某些类型的微结构化光纤具有实心包层，这会扭曲折射率分布，导致更多的损耗，同时还使得波导是过分刚性的。

本文所揭示的THz波导10的实施方式可以具有基于烟炱的包层30或者采用高密度毛细管形成的包层，包层被薄的保护涂层40所围绕。这导致包层30具有高的空气比例。用于包层30的这种示例性结构提供了更好的机械灵活性和较低的损耗。在一个例子中，烟炱是与保护涂层40共挤出的或者是与保护涂层40先后挤出的，所述保护涂层40由诸如PTFE之类的聚合物制造，从而包层具有纤维玻璃机械性质。用于保护涂层40的聚合物可以具有比实心熔凝二氧化硅低的介电常数。

对于玻璃形式或者烟炱形式的超纯熔凝二氧化硅材料，以及涂覆了低损耗聚合物或类似材料的微结构化包层，相信所得到的THz波导的损耗(例如，100GHz的介电常数D_f<0.005或者100GHz的D_f<0.0025)小于现有技术的THz波导。此外，在用于形成本文所揭示的THz波导的THz波导预制件的形成中，使用玻璃和烟炱材料这两者的挤出，导致THz波导是机械牢固的。此外，采用熔凝二氧化硅制造的示例性THz波导的热膨胀系数(CTE)足够低，从而可以采用使用激光束LB(参见图1A)的激光加工在THz波导10上限定至少一个端面32，而没有破坏THz波导。

示例性波导

图2A至2D是采用熔凝二氧化硅纤芯20和具有空气线102形式的微结构100的包层30的THz波导10的四种不同示例性实施方式的x-y横截面图。空气线102限定了空气填充比例F，其是空气线102的总横截面面积除以包层的总横截面面积。

图2A显示其中的空气线102是周期性排布的包层30的例子。空气线102具有直径DM。优选地，空气线直径DM远小于THz波长λ，例如，小于0.5λ。在这些条件下，包层30的折射率n₂是基于空气填充比例F的二氧化硅与空气的重均折射率，并且因此小于纤芯折射率n₁。高折射率纤芯20和低折射率包层30限定了波导，其中，通过总内反射引导THz波。对于包层折射率n₂的平均作用，空气线102的周期性布置不是必须的，即，也可以采用非周期性或者半周期性或者随机排布。此外，空气线102不需要具有相同的直径或相同的形状。图2B显示示例性THz波导10，其中，包层30具有尺寸和形状发生变化的空气线102的随机排布。

为了得到足够低的包层折射率n₂，空气线102的直径DM优选小于0.2λ，并且更优选小于0.1λ。空气填充比例F优选大于2％，或者更优选大于5％，并且甚至更优选大于10％。

纤芯折射率n₁相对于包层的平均折射率n₂的百分比折射率变化表示为Δn＝[(n₁–n₂)/n₁]x100，并且优选大于0.5％，更优选大于2％，并且甚至更优选大于5％。

图2C显示这样一个例子，其中，空气线102所限定的空气填充比例F作为半径的函数发生变化(即，F＝F(r))，其中，密度随着半径r逐渐增加。这有效地形成了包层30的分级折射率(GRIN)分布，这对于高带宽多模传输会是优化的。

图2D显示包层30具有较大空气线102的例子，即DM>>λ，例如DM>10λ，在相邻空气线之间具有间隙G。如果空气线102的直径DM远大于波长λ，则THz波导100实际上具有空气包层。为了避免这种情况下的隧道损耗，相邻空气线102之间的间隙G应该尽可能得小，并且优选小于波长λ。

图3A是采用实心(solid)二氧化硅纤芯20和低折射率材料包层30以及围绕包层的薄的保护涂层40的示例性THz波导10的横截面图。用于包层30的示例性材料是低密度二氧化硅，例如二氧化硅烟炱。包层折射率n₂可以是恒定的(图3A)，或者可以是径向分级的，从而靠外部分限定了包层30(图3B)。用于包层30的另一种示例性材料是低折射率聚合物材料，例如：聚甲基戊烯(TPX)、聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE或特氟龙)。当包层30使用聚合物时，不需要保护涂层40。因为THz波绝大多数在二氧化硅纤芯20中引导，所以THz波导10相比于完全由聚合物材料制造的类似波导具有更低的损耗且更为稳定。

在一个例子中，THz波导10不具有金属，以及纤芯20与包层30之间的折射率差异Δn限定了波导性质。如上文呢所述，频率f＝100GHz的信号在空气中会需要尺寸为3mm或更小的波导，这取决于具体介电常数梯度和总的可接受的信号损耗。虽然本文提出的THz波导10的构造看上去与光学频率波导结构相似，但是构建材料是不同的，并且因此具体的节点常数径向变化是不同的。

图3C是具有板坯状(slab)构造的示例性THz波导10的放大图。纤芯20是平坦的，并且包括具有相应的顶部与底部平坦外表面24A和24B的熔凝二氧化硅片，同时包层30由第一和第二平坦层30A和30B形成，分别紧邻相邻的纤芯的顶部和底部平坦外表面布置。纤芯20具有厚度D1，同时包层30限定了外尺寸(即，外厚度)D2。在一个例子中，厚度D1的范围是30μm至10mm，而外半径D2的范围是100μm至12mm。

在一个例子中，通过向熔凝二氧化硅片的顶部和底部平坦外表面24A和24B条带浇铸烟炱层，来形成包层30的第一和第二平坦层30A和30B。在一个例子中，熔凝二氧化硅片可以由购自美国纽约州康宁市康宁有限公司(Corning,Inc.,Corning,New York)的玻璃制造。显示图3C的THz波导10包含传导特征体110，其延伸穿过第一和第二包层30A并且穿过纤芯20，可以被用于传输和接受THz信号116。在一个例子中，图3C的平面状THz波导10可以被印刷电路板(PCB)120支撑，所述印刷电路板(PCB)120包括与传导特征体110电接触的电接触件122。在一个例子中，PCB 120构造成(例如，具有THz源和接收器IC，未示出)，用于利用传导特征体110来传输和接受THz信号116。在一个例子中，传导特征体110轴向分开距离L，其中，L≤20mm。L的最大距离表示THz信号116能够在THz波导10中从一个传导特征体110以轴向方向移动到另一个(例如，从源到接收器(同样参见图10))的示例性的实践距离。

THz波导的制造方法

在一个例子中，可以通过堆叠和拉制方法来制造本文所揭示的THz波导10。首先参见图4A，纤芯玻璃棒220制造成具有所需的形状，例如，圆形或六边形。如上文所述，玻璃纤芯棒220可以包含熔凝二氧化硅或者由熔凝二氧化硅构成。纤芯玻璃棒220限定了预制件纤芯并且具有外表面222。

现参见图4B，制备具有所需内直径和外直径的玻璃管224。

现参见图4C，在制备了纤芯玻璃棒220和玻璃管224之后，绕着纤芯玻璃棒，围绕着外表面22堆叠玻璃管，从而形成纤芯与管的组合件230。

现参见图4D，纤芯与管的组合件230插入到大的玻璃套管240中，制造的预制件300可以用来形成THz波导10。玻璃管224和玻璃套管240限定了预制件包层。本文所讨论的预制件300和类似的预制件在下文称作“THz波导预制件”300。可以通过常规光纤拉制塔，采用本领域已知的技术(例如，下文结合图9所述)，将THz波导预制件300拉制成THz波导10。

现参照图5A至5C的横截面图，描述THz波导预制件300的制造方法，所述THz波导预制件300可以用于形成在包层30中具有空气线102的THz波导10。首先，参见图5A，形成纤芯玻璃棒220。然后，参见图5B，采用例如外侧气相沉积方法，将玻璃烟炱250沉积到纤芯玻璃棒220上，从而限定了烟炱坯件260。然后，采用已知技术，对纤芯玻璃棒220位于中心的烟炱坯件260进行烧结以形成如图5C所示的THz波导预制件300，玻璃烟炱250变成烧结(或部分烧结)的玻璃252。在一个例子中，在温度为1300℃至1500℃，气氛是例如空气、N₂、O₂、Ar、SO₂、Kr的炉中，进行烧结。在烧结过程期间，气体被俘获在玻璃烟炱250中，形成具有随机分布的气泡302，例如，图5C所示的特写插图I1。可以采用常规拉制塔和常规拉制技术，将具有随机气泡的THz波导预制件300拉制成THz波导10。在拉制过程期间，随机分布的气泡纵向伸长，成为上文所述的包层30中的随机分布的空气线或气线102。

制造包层30具有空气线102的THz波导10的另一种方法是，首先制造具有纤芯段20C和包层段30C的常规玻璃预制件300C，如图6A所示。然后，采用机械钻孔工艺，可以在包层30C中形成环构造的圆柱形孔310，如图6B所示。孔310的环限定了围绕中心纤芯段20C的低折射率包层段30C。在类似的例子中，可以在将包层30C插入到玻璃中之前，在图5B的玻璃烟炱250中钻孔出图6B的孔结构。

在另一个示例性方法中，可以通过采用常规拉制塔，将纯二氧化硅THz波导预制件300拉制成光纤，来制造具有纯二氧化硅纤芯20和低折射率(即，n₂<n₁)聚合物包层30的THz波导10光纤。在光纤离开拉制炉并冷却到约为室温之后，然后将液体聚合物材料涂覆到光纤上，然后采用UV光源固化以形成低折射率聚合物包层30，二氧化硅玻璃光纤限定了纤芯20。因为THz波绝大多数在二氧化硅纤芯20中引导，所以THz波导相比于具有聚合物纤芯的THz波导可以具有更低的损耗且更为稳定。

制造THz波导预制件的另一种方法是使用烟炱挤出工艺，如图7A和7B示意性所示。可以通过OVD工艺产生二氧化硅烟炱，并收集为烟炱粉末。然后，烟炱粉末与水、有机溶剂和粘合剂混合，以形成烟炱糊料SP。然后，将烟炱糊料SP进料到挤出机器(未示出)，并挤压通过模头320以形成孔结构330，如图7A所示。然后，将挤出的孔结构330切割成具有所需长度的段，以形成烟炱糊料预制件。烟炱糊料预制件进行干燥并用化学品(例如，氯)进行清洁，以及在炉中烧结以形成玻璃THz波导预制件300，如图7B所示。

在另一个例子中，可以在低于形成完全致密化玻璃所需的温度T_G的温度T_C对二氧化硅烟炱进行固结，来制造用于包层30的低密度二氧化硅材料。如此形成的低密度二氧化硅材料在本文被称作固结玻璃。在一个例子中，形成玻璃的温度T_G是约1500℃。可以通过采用多次热致密化步骤，或者工艺变量或通过条带浇铸挤出(其部分固结以驱除水来导致烟炱颗粒的桥连或颈联(necking))，来使得多孔二氧化硅烟炱分级，以限定分级密度的包层30。

图8是在温度T_C<T_G形成的示例性玻璃烟炱材料中的烧结烟炱与未烧结烟炱的比例FSS与烟炱材料的介电常数ε₁的关系图。图8的数据来自于上文所述的部分烧结工艺，其中，烟炱材料的介电常数ε₁具有从ε₁＝ε₀＝1(对于空气而言)到对于实心高密度熔凝二氧化硅(ε₁＝3.895)的介电常数梯度。

拉制工艺

如上文所讨论的那样，可以采用拉制工艺形成THz波导10。图9是采用THz波导预制件300形成THz波导10的示例性拉制系统500的示意图。拉制系统500可以包括用于加热THz波导预制件300的拉制炉503。THz波导预制件具有与所需的THz波导10大致相同的相对形状，但是要大得多，例如，是25倍至100倍那么大。THz波导预制件300的构造以及各种拉制参数(拉制速度、温度、张力、冷却速率等)规定了THz波导10的最终形式。

在制造过程中，拉制的THz波导预制件300离开拉制炉503，并且具有大致是所需的THz波导10的形式，但是是长的连续THz波导结构10L。在长的THz波导结构10L离开拉制炉503之后，可以采用非接触式传感器506A和506B来测量其尺寸。可以通过本领域已知的合适的张力施加机制来向长的THz波导结构10L施加张力。

在测量了长的THz波导结构10L的尺寸之后，可以将THz波导结构传递通过冷却机制508，其为导管提供了缓慢冷却。在一个实施方式中，冷却机制508填充了气体，所述气体有助于导管以比导管在环境温度下的空气中的冷却更为缓慢的速率进行冷却。

一旦长的THz波导结构10L离开冷却机制508，其可以被切割成选定长度以限定如所示的最终THz波导10，或者其可以绕着卷轴卷绕(未示出)。

在一个例子中，THz波导10可以通过如下方式制造：首先采用THz波导预制件300进行第一拉制过程，以形成中间尺寸的玻璃预制件；以及然后，采用第二拉制过程，对中间尺寸的玻璃预制件进行再次拉制，以形成THz波导10。

应用

图10是示例性高速THz传输系统600的示意图，其包括如本文所揭示的THz波导10，以及THz源610和THz接收器620。在一个例子中，THz源610和THz接收器620分别包括集成电路(IC)THz振荡器616，例如硅CMOS THz振荡器芯片。在一个例子中，THz源610和THz接收器620可以包括相应的触角天线612和622，其可以相对于相应的光学系统614和624以可运行的方式布置。THz信号116经由THz波导10(其在一个例子中的长度L≤10m)从THz源610传输到THz接收器620，其中，最大长度L代表了THz信号116在THz波导上进行传输的实际限制。

THz信号116可以具有数字形式或模拟形式。对于数字形式，其特别容易关闭和打开THz源610。也可以采用使用零差或外差方法的常规模拟调制格式。

硅CMOS THz振荡器616可以在比常规数据通信的激光更高温的环境中运行。具体来说，CMOS THz振荡器616通常评级认为功能可靠性最高至150℃，而VCSEL激光通常限于85℃。因此，图10的THz传输系统600的CMOS THz源/接收器组合良好地适用于较热环境中的芯片-芯片通讯，例如靠近数据中心中的热切换SASIC或者车辆。

对本领域的技术人员而言，很清楚可以在不偏离所附权利要求所限定的本公开内容的精神或范围下，对本文所述的本公开内容的优选实施方式进行各种修改。因此，本公开内容覆盖了此类修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims

1.一种太赫兹波导，其用于引导太赫兹频率为0.1THz至10THz的光学信号，所述太赫兹波导包括：

直径D1为30μm至10mm的纤芯，所述纤芯包括熔凝二氧化硅玻璃或者由熔凝二氧化硅玻璃构成并且具有第一折射率n₁；以及

紧邻围绕纤芯且具有第二折射率n₂以及100μm至12mm的外直径D2的包层，所述包层包含如下物质：聚甲基戊烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃形式的熔凝二氧化硅、烟炱形式的熔凝二氧化硅、Al₂O₃、热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀玻璃或者热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀烟炱，

其中，第一折射率n₁和第二折射率n₂使得光学信号通过内反射引导从而光学信号主要通过纤芯传输。

2.如权利要求1所述的太赫兹波导，其中，中心线沿着纤芯的中心纵向向下延伸，以及其中，包层的折射率具有梯度，其随着距离中心线的距离的增加而减小。

3.如权利要求1所述的太赫兹波导，其中，包层包括微结构。

4.如权利要求3所述的太赫兹波导，其中，微结构包括空气线。

5.如权利要求4所述的太赫兹波导，其中，空气线随机排布，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及空气线的直径DM<0.2λ。

6.如权利要求4所述的太赫兹波导，其中，空气线的空气填充比例大于2％。

7.如权利要求4所述的太赫兹波导，其中，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及其中，空气线的直径DM>10λ。

8.如权利要求1所述的太赫兹波导，其中，纤芯具有圆形横截面形状，以及包层具有环状横截面形状。

9.如权利要求1所述的太赫兹波导，其还包括布置在包层上的保护涂层，所述保护涂层气密密封了包层。

10.如权利要求1所述的太赫兹波导，其中，保护涂层由以下至少一种制造：金属、碳化硅、钻石状碳或氮化硅。

11.如权利要求1所述的太赫兹波导，其中，太赫兹波导在100GHz频率处的介电损耗D_f<0.005。

12.如权利要求11所述的太赫兹波导，其中，100GHz处的介电损耗D_f是<0.0025。

13.一种太赫兹数据传输系统，其包括：

如权利要求1所述且具有第一端和第二端的太赫兹波导；

以可运行方式连接到第一端的太赫兹源；和

光学连接到第二端的太赫兹接收器。

14.如权利要求13所述的太赫兹数据传输系统，其中，太赫兹源和太赫兹接收器分别包括第一和第二集成电路太赫兹振荡器。

15.一种平面状太赫兹波导，其用于引导太赫兹频率为0.1THz至10THz的太赫兹信号，所述平面状太赫兹波导包括：

纤芯，所述纤芯被具有第一折射率n₁的熔凝二氧化硅片所限定并且具有相对的第一和第二平坦表面以及30μm至10mm的厚度；以及

包层，所述包层具有第二折射率n₂<n₁且由第一和第二平坦层限定，分别布置在与纤芯的第一和第二平坦表面紧邻，所述第一和第二平坦层限定了100μm至12mm的外尺寸D2且包含聚甲基戊烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃形式的熔凝二氧化硅、烟炱形式的熔凝二氧化硅、Al₂O₃、热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀玻璃或者热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀烟炱，其中，超低膨胀玻璃和超低膨胀烟炱分别具有小于3x10^-8/℃的热膨胀系数，以及

其中，第一折射率n₁和第二折射率n₂使得太赫兹光学信号通过内反射引导从而太赫兹光学信号主要通过纤芯传输。

16.如权利要求15所述的平面状太赫兹波导，其中，包层的第一和第二平坦层包括固结的玻璃烟炱或者部分烧结的玻璃烟炱。

17.如权利要求15所述的平面状太赫兹波导，其还包括：

印刷电路板；和

传导特征体，其穿过包层和纤芯且以可运行的方式接触印刷电路板，从而产生和接收太赫兹信号。

18.如权利要求15所述的平面状太赫兹波导，其中，传导特征体的轴向间隔距离L≤20mm。

19.一种形成太赫兹波导的方法，所述太赫兹波导能够运行在频率范围是0.1THz至10THz的太赫兹波导，所述方法包括：

用预制件包层围绕熔凝二氧化硅预制件纤芯，所述熔凝二氧化硅预制件纤芯具有第一折射率n₁，所述预制件包层包含如下物质：聚甲基戊烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、玻璃形式的熔凝二氧化硅、烟炱形式的熔凝二氧化硅、Al₂O₃、热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀玻璃或者热膨胀系数小于3x10^-8/℃的超低膨胀烟炱，从而形成了太赫兹波导预制件；以及

拉制太赫兹波导预制件以形成太赫兹波导，所述太赫兹波导包括：a)波导纤芯，其由熔凝二氧化硅预制件纤芯形成且具有30μm至10mm的直径D1，所述波导纤芯包含熔凝二氧化硅玻璃，且具有第一折射率n₁；和b)波导包层，其具有第二折射率n₂<n₁且紧邻围绕波导纤芯且由预制件包层形成，所述波导包层具有100μm至12mm的外直径D2，

20.如权利要求19所述的方法，其还包括在波导包层上形成保护涂层。

21.如权利要求20所述的方法，其中，形成保护涂层包括进行等离子体工艺，所述等离子体工艺在波导包层上沉积了碳化硅、氮化硅或钻石状碳中的至少一种。

22.如权利要求20所述的方法，其中，保护涂层包括金属。

23.如权利要求20所述的方法，其中，保护涂层形成与波导包层的气密密封。

24.如权利要求19所述的方法，其中，熔凝二氧化硅预制件纤芯包括熔凝二氧化硅棒，以及预制件包层包括围绕熔凝二氧化硅棒的熔凝二氧化硅毛细管。

25.如权利要求19所述的方法，其还包括在熔凝二氧化硅棒的靠外部分中钻取纵向孔，以及熔凝二氧化硅棒的靠内部分包括熔凝二氧化硅预制件纤芯。

26.如权利要求19所述的方法，其中，熔凝二氧化硅预制件纤芯包括具有外表面的熔凝二氧化硅棒，以及其中，通过将多孔二氧化硅烟炱沉积到熔凝二氧化硅棒的外表面上然后对多孔二氧化硅烟炱进行热加工来形成预制件包层。

27.如权利要求26所述的方法，其中，多孔二氧化硅烟炱的热加工包括使得多孔二氧化硅烟炱至少部分烧结。

28.如权利要求26所述的方法，其中，多孔二氧化硅烟炱的热加工包括在温度低于多孔二氧化硅烟炱形成玻璃的温度的温度下，对多孔二氧化硅烟炱进行固结。

29.如权利要求26所述的方法，其中，多孔二氧化硅烟炱的热加工的进行使得所述第二折射率n₂具有径向梯度。

30.如权利要求26所述的方法，其中，采用挤出工艺沉积多孔二氧化硅烟炱。

31.如权利要求26所述的方法，其中，采用条带浇铸工艺沉积多孔二氧化硅烟炱。

32.如权利要求26所述的方法，其中，在热加工之后，多孔二氧化硅烟炱包含微结构。

33.如权利要求32所述的方法，其中，微结构包括空气线。

34.如权利要求33所述的方法，其中，空气线随机排布，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及空气线的直径DM<0.2λ。

35.如权利要求33所述的方法，其中，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及其中，空气线的直径DM>10λ。

36.如权利要求19所述的方法，其还包括对太赫兹波导进行激光加工，从而限定了太赫兹波导的至少一个端面。

37.如权利要求19所述的方法，其中，太赫兹波导在100GHz频率处的介电损耗D_f<0.005。

38.如权利要求37所述的方法，其中，太赫兹波导在100GHz频率处的介电损耗D_f<0.0025。

39.一种太赫兹波导，其用于引导太赫兹频率为0.1THz至10THz的光学信号，所述太赫兹波导包括：

直径D1为30μm至10mm的纤芯，所述纤芯包括熔凝二氧化硅玻璃并且具有第一折射率n₁；以及

紧邻围绕纤芯的包层，所述包层具有第二折射率n₂<n₁以及100μm至12mm的外直径D2，

其中，包层包括纵向延伸的空气线，

其中，太赫兹波导具有100GHz频率处的介电损耗D_f<0.005，以及

40.如权利要求39所述的太赫兹波导，其中，中心线沿着纤芯的中心纵向向下延伸，以及包层的折射率具有梯度，其随着距离中心线的距离的增加而减小。

41.如权利要求39所述的太赫兹波导，其中，空气线随机排布，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及空气线的直径DM<0.2λ。

42.如权利要求39所述的太赫兹波导，其中，太赫兹频率对应于太赫兹波长λ，以及空气线的直径DM>10λ。