金属线波导提供无与伦比的太赫兹网络效率

加拿大魁北克大学国家科学研究所 (INRS) 的一个研究小组通过直接设计金属线波导的线表面实现了宽带太赫兹 (THz) 信号处理。该方法允许在金属线上直接蚀刻多尺度结构的布拉格光栅，而无需引入额外的材料。相关研究发表在《Nature Communications》上。

当与各种波导设计相结合时，INRS 团队的方法可以提供一个结构简单的平台，用于在太赫兹区域实现卓越的信号处理能力。研究人员报告说，这是第一次将这种方法应用于太赫兹频率。该团队由罗伯托·莫兰多蒂领导。

“通过在金属线上直接雕刻具有多尺度结构的精心设计的凹槽，我们可以改变反射或传输的频率——即太赫兹布拉格光栅——而无需在波导中添加任何材料，”研究员董俊良说。

这种方法之所以成功，是因为金属线波导中的太赫兹制导是基于太赫兹表面等离子体激元（SPP）沿金属-空气界面的传播——这对金属表面的条件极为敏感。金属线波导结构简单，易于弯曲，与电缆的亲和力使连接高效且简单。

图1，参与用于宽带太赫兹信号处理和多路复用的金属线波导研究的科学家，左起：Roberto Morandotti, Junliang Dong, Giacomo Balistreri, and Pei You。该团队设想其平台可应用于未压缩超高清视频的多通道传输，以及太赫兹网元之间的超高速短距离数据传输。

作为概念验证，研究人员展示了一种称为四线波导 (FWWG) 的多功能金属线波导拓扑。 FWWG 几何结构支持偏振分复用 THz 信号的低损耗和低色散传播。

FWWG 可以维持两个独立的正交极化模式。由于这些模式不会相互干扰，因此 FWWG 能够充当宽带偏振分复用器。通过将金属线上的布拉格光栅集成到 FWWG 中，研究人员展示了对偏振分复用 THz 信号的独立操作。

FWWG 设备可以提供一种在波导中实现偏振分复用的方法，同时在宽太赫兹频率范围内处理多路复用信号。研究人员认为，它可以支持对频率和极化复用的信号通道进行独立操作，并可以提高太赫兹系统的容量，最终在未来的太赫兹网络中实现约 Tb/s 的数据速率。

“我们的设备代表了第一个太赫兹波导架构，采用新的金属设计，支持偏振分复用，” Morandotti说。“特别是，实现如此复杂的信号处理功能的能力——即独立处理多路复用的太赫兹信号——在其他地方从未实现过。”

此外，在金属线波导中操纵太赫兹脉冲传播的方法可以激发新的方法来提高未来太赫兹网络的容量和频谱效率，例如，为 6G 网络中的“全息消息传递”提供一条路径。另外，为实现宽带太赫兹信号处理提供了一个通用平台，例如，它可能导致未压缩的超高清视频的多通道传输，设备间超高速、短距离的数据传输，以及芯片到芯片的通信。