ท่อนำคลื่นแบบสายคู่สำหรับการส่งผ่านคลื่นในย่านเทระเฮิร์ต
1. ท่อนำคลื่นในย่านเทระเฮิร์ต (THz waveguide)
รูปที่ 1. ประเภทของท่อนำคลื่นในย่านเทระเฮิร์ต
คลื่นที (T-wave), รังสีที (T-ray) หรือคลื่นเทระเฮิรตซ์ (Tera-Hertz wave or THz wave) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่ในช่วงระหว่าง 0.1 ถึง 10 เทระเฮิรตซ์ คำว่า “เทระ (Tera)” เป็นคำอุปสรรคแทนด้วยเลข 1012 โดยคลื่นเทระเฮิรตซ์จะมีความยาวคลื่นในช่วง 0.3-3.0 มิลลิเมตร ซึ่งความถี่ในย่านเทระเฮิรตซ์จะอยู่กึ่งกลางระหว่างสองความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นที่รู้จักดีคือ อินฟราเรด (IR) และไมโครเวฟ โดยท่อนำคลื่นสำหรับการส่งผ่านคลื่นทั้งสองความถี่ได้ถูกวิจัยและพัฒนาเป็นอย่างมากในงานการสื่อสาร ดังนั้น ในการส่งคลื่นในย่านเทระเฮิรตซ์จะอาศัยความรู้ความเข้าใจที่มีมาจากท่อนำคลื่นในย่านดังกล่าวมาต่อยอดในงานวิจัยด้านเทระเฮิรตซ์ รูปที่ 1 แสดงภาพรวมของท่อนำคลื่นสำหรับย่านเทระเฮิรตซ์
ท่อนำคลื่นแบบไดอิเล็กทริก (Dielectric Waveguide) ถูกใช้อย่างแพร่หลายสำหรับการส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอินฟราเรด โดยอาศัยกลไกพื้นฐานของการสะท้อนกลับหมด (Total Internal Reflection or TIR) ภายในท่อนำคลื่นที่ทำจากวัสดุไดอิเล็กทริกจำพวกแก้ว (Glass) อย่างไรก็ตาม กลไกและวัสดุดังกล่าวส่งผลให้ประสิทธิภาพของการส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์มีค่าต่ำลงเนื่องมาจากผลของการดูดกลืนสูง (High Absorption) และ ดิสเพอร์ชัน (Dispersion) เพื่อแก้ปัญหาในแง่ของการดูดกลืนที่สูง พลาสติกที่มีความโปร่งใสในย่านเทระเฮิรตซ์ (Transparent) เช่น TOPAS หรือ Zeonex จึงถูกนำมาใช้แทนที่แก้ว ในส่วนของการเกิดดิสเพอร์ชันสามารถแก้ไขได้โดยการใช้กลไลกการส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่แตกต่างออกไปจากเดิม เช่น การใช้โครงสร้างแบบ Bragg, โครงสร้างแบบ Photonic Bandgap หรือกลไกแบบ Anti-Resonance อย่างไรก็ดี กลไกลดังกล่าวจะอนุญาตให้คลื่นเทระเฮิรตซ์ผ่านไปได้แค่บางช่วงความถี่ ดังนั้น ท่อนำคลื่นแบบนี้จึงไม่เหมาะสมสำหรับงานประยุกต์ใช้ที่ต้องการความความถี่แบบต่อเนื่อง (Broadband) แต่จะใช้ได้ดีสำหรับงานที่ต้องการใช้ความถี่เฉพาะย่าน เช่น งานด้านเซนเซอร์เป็นต้น
ในส่วนของความถี่ในย่านไมโครเวฟหรือวิทยุ คลื่นจะถูกส่งผ่านโดยอาศัยท่อนำคลื่นแบบโลหะ อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นดังกล่าวกลับลดประสิทธิภาพการส่งผ่านคลื่นลงเมื่อใช้คลื่นความถี่ในย่านเทระเฮิรตซ์เนื่องจากการดูดกลืนของวัสดุตัวกลางที่นำมาทำท่อนำคลื่นที่สูงคล้ายกับที่เกิดในท่อนำคลื่นแบบไดอิเล็กทริก เพื่อที่จะแก้ปัญหาดังกล่าว ท่อนำคลื่นแบบโลหะจึงต้องการตัวกลางที่มีการดูดกลืนคลืนเทระเฮิรตซ์ที่ต่ำ เช่น อากาศ มาใช้ในการออกแบบท่อนำคลื่นสำหรับส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์ นอกจากนั้น ท่อนำคลื่นแบบโลหะที่มีโครงสร้างแบบแผ่นคู่ขนาน (Parallel Plate Waveguide: PPWG) และแบบสายคู่ (Two-wire Waveguide: TWWG) สามารถทำให้คลื่นเทระเฮิรตซ์ที่ถูกส่งผ่านไม่เกิดปรากฎการณ์ดิสเพอร์ชันตลอดท่อนำคลื่น โดยเฉพาะท่อนำคลื่นแบบสายคู่ (TWWG) จะมีข้อดีในแง่ของโครงสร้างที่ไม่สลับซับซ้อน, ทนต่อการบิดงอ และ มีโครงสร้างคล้ายกับสายส่งสัญญาณทำให้สามารถประยุกต์ใช้กับงานด้านการสื่อสาร (Communication) ได้ง่ายด้วย
2. เส้นลวดโลหะสำหรับการส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์
เส้นลวดโลหะสำหรับส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแบ่งออกได้ 2 ประเภทคือ เส้นลวดโลหะแบบสม่ำเสมอ (Uniform-Metal wire) และ เส้นลวดโลหะแบบไม่สม่ำเสมอ (Uniform-Metal wire) โดยคำว่า “สม่ำเสมอ” แสดงถึงความสมมาตรของโครงสร้างของเส้นลวดโลหะตลอดแกนกลางของท่อนำคลื่น (Waveguide Axis)
เนื่องจากภาพตัดขวางของท่อนำคลื่นแบบเส้นลวดโลหะแบบสม่ำเสมอจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของท่อนำคลื่นตลอดการส่งผ่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นการศึกษาโดยใช้แบบจำลอง 2 มิติบนโปรแกรม COMSOL Multiphysics สามารถใช้ในการศึกษาการส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์ภายในท่อนำคลื่นแบบลวดโลหะเดี่ยว (Single-Wire Waveguide: SWWG) ซึ่งเป็นท่อนำคลื่นแบบเส้นลวดโลหสม่ำเสมอเบื้องต้นได้
รูปที่ 2 แสดงผลการจำลองการกระจายตัวของสนามไฟฟ้ารอบลวดเดี่ยวโลหะ (SWWG) โดยใช้ลวดโลหะทองแดง (Copper) ที่มีรัศมี 100 ไมครอน โดยเส้นลวดทองแดงล้อมจะถูกรอบล้อมด้วยอากาศ คลื่นเทระเฮิรตซ์ที่ถูกส่งผ่านจะถูกกักเก็บ (Confine) ให้อยู่รอบๆลวดทองแดงและถูกส่งต่อไปตลอดท่อนำคลื่น ซึ่งลูกศรสีขาวในรูปที่ 2 แสดงทิศทางการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า โดยที่ความยาวของลูกศรบ่งบอกถึงความเข้มของสนามไฟฟ้ารอบเส้นลวดทองแดง เพื่อที่จะส่งสัญญาณคลื่นเทระเฮิรตซ์ด้วยท่อนำคลื่นแบบเส้นลวดเดี่ยว (SWWG) แหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (THz Source) จำเป็นต้องมีทิศโพลาไรเซชันตามแนวรัศมี (Radial polarized direction) เพื่อให้สอดคล้องกับโหมด (Waveguide Mode) ที่มีอยู่ในท่อนำคลื่น อย่างไรก็ดี แหล่งกำเนิดเทระเฮิรตซ์โดยทั่วไปจะมีทิศโพลาไรเซชันแบบเชิงเส้น (Linear polarized direction) ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานสูง (High coupled loss) เมื่อใช้ท่อนำคลื่นแบบเส้นลวดโหละเดี่ยวส่งผ่านคลื่นเทระเฮิรตซ์
เพื่อแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานที่สูง การใช้ท่อนำคลื่นที่มีโหมดการกักเก็บคลื่นเทระเฮิรตซ์ในทิศโพลาไรเซชันเชิงเส้นจะสามารถลดการสูญเสียพลังงานดังกล่าวได้ ท่อนำคลื่นแบบสายคู่ (Two-wire Waveguide) ซึ่งมีโครงสร้างประกอบด้วยโลหะสองเส้นวางขนานกันตลอดท่อนำคลื่น โดยมีอากาศล้อมรอบเส้นลวดทั้งสอง เมื่อส่งคลื่นเทระเฮิรตซ์เข้าไปในท่อนำคลื่นชนิดนี้ คลื่นจะถูกกักเก็บอยู่ระหว่างเส้นลวดโลหะทั้งสองเส้นและมีทิศโพลาไรเซชันเชิงเส้นอยู่ตรงกึ่งกลาง รูปที่ 3 แสดงการกระจายตัวของสนามไฟฟ้ารอบเส้นลวดโลหะทองแดงที่มีรัศมี 100 ไมครอน และวางห่างกัน 300 ไมครอน ลูกศรสีขาวแสดงทิศทางและความเข้มของสนามไฟฟ้าที่กระจายอยู่ภายในท่อนำคลื่นแบบสายคู่ ซึ่งโพลาไรเซชันเชิงเส้นจะมีทิศไปทางขวา (จากโลหะเส้นซ้ายไปยังโลหะเส้นขวา) ตัดผ่านแกนกลางของท่อนำคลื่น (Waveguide Axis) โดยผลการจำลองยืนยันการมีอยู่ของโหมดที่มีองค์ประกอบของโพลาไรเซชันแบบเชิงเส้นภายในท่อนำคลื่นแบบสายคู่
รูปที่ 2 การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของท่อนำคลื่นแบบเส้นลวดเดี่ยวที่ความถี่ 1 THz
3. ท่อนำคลื่นแบบสายคู่ในโมเดล 3 มิติ
ท่อนำคลื่นที่ใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันมีทั้งขนาดและรูปร่างแบบ 3 มิติ เพื่อที่จะศึกษาแบบจำลองของท่อนำคลื่นโดยมีรูปแบบสอดคล้องกับท่อนำคลื่นของจริงที่ใช้ แบบจำลองของท่อนำคลื่นแบบสายคู่ (TWW) โดยใช้โปรแกรม COMSOL Multiphysics ในระบบพิกัด 3 มิติจึงถูกใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติต่างๆของท่อนำคลื่นประเภทนี้ ตัวแปรต่างๆที่ใช้ในแบบจำลองท่อนำคลื่น 3 มิติถูกกำหนดให้เหมือนกับในกรณี 2 มิติ โดยความยาวของท่อนำคลื่นมีค่าเท่ากับ 3 มิลลิเมตร รูปที่ 4 แสดงการกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของคลื่นเทระเฮิรตซ์ภายในท่อนำคลื่นแบบสายคู่ในโมเดล 3 มิติ โดยคลื่นเทระเฮิรตซ์ถูกกักเก็บไว้ตรงบริเวณกึ่งกลางระหว่างเส้นโลหะทองแดง 2 เส้นเหมือนกับในโมเดล 2 มิติ ซึ่งจะมีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่ขอบของโลหะทองแดงและลดลงอย่างต่อเนื่องมายังตำแหน่งกึ่งกลางของท่อนำคลื่น มุมมองด้านบน (Top view) ของรูปที่ 5 แสดงการกักเก็บพลังงานของคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่บริเวณกึ่งกลาง
รูปที่ 3 การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของท่อนำคลื่นแบบสายคู่ที่ความถี่ 1 THz
รูปที่ 4 การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของท่อนำคลื่นแบบสายคู่ที่ความถี่ 1 THz ในโมเดล 3 มิติ
รูปที่ 5 การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของท่อนำคลื่นแบบสายคู่ที่ความถี่ 1 THz ในโมเดล 3 มิติในมุมมองด้านบน (Top view)
4. ท่อนำคลื่นแบบสายคู่ที่มีโครงสร้างรูปตัว Y (Y-shape)
จากการศึกษาพบว่าความเข้มของสนามไฟฟ้าของคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่ถูกกักเก็บบริเวณกี่งกลางระหว่างเส้นลวดโลหะทั้งสองเส้นภายในท่อนำคลื่นแบบสายคู่ (TWWG) จะขึ้นกับระยะห่างระหว่างเส้นลวดทั้งสอง เมื่อกำหนดให้โครงสร้างของท่อนำคลื่นแบบสายคู่มีระยะห่างเริ่มต้นระหว่างโลหะทองแดงสายคู่คือ 200 ไมครอน และระยะห่างระหว่างลวดทอดแดงค่อยๆเพิ่มจนมีระยะห่างเท่ากับ 1200 ไมครอน และให้ระยะห่างคงที่ตลอดจนถึงปลายอีกด้านหนึ่งของท่อนำคลื่น โดยของโครงสร้างท่อนำคลื่นดังกล่าวมีลักษณะคล้ายรูปตัว Y ในรูปที่ 6 ผลการจำลองโครงสร้างของท่อนำคลื่นแบบสายคู่ที่มีโครงสร้างรูปตัว Y แสดงการกักเก็บของพลังงานคลื่นเทระเฮิรตซ์ตลอดท่อนำคลื่น อย่างไรก็ตาม ความเข้มของสนามไฟฟ้าของคลื่นเทระเฮิรตซ์ลดลงเมื่อระยะห่างระหว่างเส้นโลหะทองแดงเพิ่มขึ้นซึ่งยืนยันสมมติฐานข้างต้น
รูปที่ 6 การกระจายตัวของสนามไฟฟ้าของท่อนำคลื่นแบบสายคู่แบบโครงสร้างรูปตัว Y ที่ความถี่ 1 THz ในโมเดล 3 มิติ
