基于石墨烯的光控太赫兹调制器

研究了锗基单层石墨烯结构宽带光控太赫兹调制器。利用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统,实验证明了在1 550 nm飞秒光泵浦下,该太赫兹调制器工作带宽为0.2~1.5 THz。当泵浦光功率从0增加到250 mW时,该太赫兹波调制器的平均透过率从40%下降到22%,平均吸收系数从19 cm-1增加到44 cm-1,在0.2~0.7 THz,调制深度均高于50%,最大调制深度为62%（0.38 THz）。实验结果表明,相比于纯锗基太赫兹调制器,单层石墨烯的引入能增强对太赫兹波的调制效果。     

二维材料异质结增强的硅基太赫兹光调制器

研究了石墨烯/氮化硼二维异质结增强的硅基太赫兹波光调制器。利用太赫兹波时域谱系统和实验室自主搭建的太赫兹波动态测试系统分别测试了808 nm激光对太赫兹波的静态和动态调制。当照射在太赫兹波调制器上的激光功率从0增加至500 mW时,平均太赫兹波透过率从58%下降到13%,静态调制深度最高达到76%（500 mW）。动态测试获得的最大调制速度为15 kHz (100 mW)。实验结果表明,与单层石墨烯增强的硅基调制器相比,石墨烯/氮化硼异质结可以更大地提高硅对于太赫兹波的调制深度,并提升调制速度。     

利用石墨烯-金属复合结构实现太赫兹电磁诱导透明超表面主动调控

近年来,在超表面中实现对电磁诱导透明的主动式调控引起了越来越多的研究兴趣。采用石墨烯-金属复合结构,设计并研制了一种新颖的调制策略,通过同时施加光泵和偏置电压改变石墨烯的电导率,在太赫兹波段实现了一种主动式电磁诱导透明超表面,其在透射窗口频率处的振幅调制深度可达73%。模拟和理论分析表明,其内在物理机理在于石墨烯对金属谐振结构的短接作用,石墨烯的电导率越大,短接效果越明显,谐振强度也越弱。该石墨烯-金属复合超表面为设计紧凑的主动式太赫兹光开关器件提供了一种实现途径,在太赫兹通信中具有潜在的应用前景。     

硅基金字塔结构光控太赫兹调制器

提出一种硅基金字塔结构光控太赫兹波调制器。通过化学刻蚀方法在高阻硅基底形成微米级的金字塔结构,研究该结构与高阻硅片对激光的反射率及对太赫兹的调制情况。实验表明,金字塔结构可有效降低激光反射率,提升激光利用率,并且通过增加太赫兹波调制面积,达到显著增强太赫兹波的调制效果,其调制深度达到90%以上。该硅基金字塔结构光控调制器可在极低的激光功率下工作,具有宽带、大幅度调制的特点,在太赫兹成像领域具有重要应用价值。     

微纳复合结构增强硅基太赫兹调制器性能

研究了由微米金字塔阵列和纳米级氧化铝(Al2O3)薄膜构成的微纳复合结构对硅基光控太赫兹调制器调制性能的增强效应和机制。实验表明,相对于半导体硅片,硅表面的微米金字塔阵列能够显著减少激光反射率,提高对激光的利用率,且能增加太赫兹波的调控面积。更重要的是,金字塔阵列上沉积的纳米级厚度Al2O3薄膜还能进一步降低激光反射率,并能明显提升太赫兹波的调制效果,在95.5 mW/mm2的激光功率密度下,其调制深度可达91.2%。该光控太赫兹调制器在低激光功率下拥有高调制深度,在太赫兹成像和通信领域都有巨大的应用潜力。     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

基于硅基石墨烯的全光控太赫兹波强度调制系统研究

在太赫兹通信等系统中需要利用太赫兹波调制器对信号进行调制.基于GaAs 等传统半导体材料设计和制作的调制器在太赫兹波段的响应过低,因而很难应用于太赫兹系统.为了弥补传统调制技术在带宽和调制深度不够的缺点,设计了一种全新的基于硅基石墨烯的全光控太赫兹强度调制系统.该调制系统利用材料中光生载流子对太赫兹波的吸收特性,通过调节照射到材料上的可见光光强来改变光生载流子浓度,从而实现对太赫兹波强度调制.从理论和实验两方面对这种新型太赫兹强度调制系统的调制深度和调制带宽进行了研究.研究结果表明,在泵浦光功率密度为18 mW/mm2时,该调制系统能在实验使用的THz-TDS 测试系统(0.1~2.5 THz)的整个频谱范围内进行有效的调制,调制深度可达到12 %.且随着泵浦光能量的增大,调制深度增大.     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

基于表面钝化效应的砷化镓基太赫兹调制器性能

研究了表面化学硫硒钝化技术对砷化镓基光控太赫兹调制器件性能的增强效应和机制。实验表明,硫硒钝化能有效地去除砷化镓表面氧化物,减少表面复合中心,从而改善砷化镓的表面状态。钝化后,光致发光(PL)强度显著增强,是参考砷化镓基底的6倍。同时,钝化效应可以显著提升砷化镓中少数载流子的寿命,可达2.2 ns。表面钝化效应可以显著提高砷化镓基太赫兹调制器的调制性能,在3 mW激光功率下测得调制深度为41%,调制速率为88.81 MHz。该光控太赫兹调制器在低功率下具有高调制深度和调制速率,在太赫兹通信领域有巨大的应用潜力。     

基于单层二硫化钨光控太赫兹调制器的研究

在太赫兹技术的应用中,控制太赫兹波的传输非常重要,太赫兹调制器被认为是下一代太赫兹无线通信中的重要器件.成功地研究了一种硅上生长单层二硫化钨的新型光泵浦太赫兹调制器,由于在硅衬底和二硫化钨的交界处出会形成异质结,二硫化钨充当着催化剂的作用,在光泵浦的作用下,在异质结处催化出更多的载流子,因此实现了更大的调制深度.结果表明,在泵浦光波长为660 nm、功率仅为117 mW时,该调制器的调制深度达到了63.6%.这种新型二维过渡金属硫化物对太赫兹波的调制有着更高的效率,使其在太赫兹技术中有很好的应用前景.     

使用太赫兹快速探测器测量硅少数载流子寿命

利用脉冲触发信号在半导体中产生非平衡态载流子的方式,提出一种使用太赫兹连续源和超快速响应探头测量半导体少数载流子寿命的方法,用于表征半导体的瞬态载流子动力学过程。根据上述设计原理及思路,以泵浦光作为周期性激励信号,搭建出一套工作时间窗口为纳秒到秒量级,时间精度在纳秒量级的非接触式半导体少数载流子寿命测量系统,具有装置简单、操作方便、成本低廉等优点。使用搭建的系统对不同掺杂类型、不同掺杂浓度、不同厚度单晶硅的非平衡态少数载流子寿命进行测量。最后,通过改变泵浦光单脉冲能量,对单晶硅光生载流子寿命进行测量,结果表明单晶硅少数载流子寿命随着泵光能量的增大而变长。该系统所实现的宽工作窗口、高时间精度太赫兹快速过程的探测,可应用于太赫兹领域的快速成像和快速生物响应探测。     

光驱动宽频带可调谐太赫兹吸波器设计

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial ab-sorber,简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变,从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明:当硅电导率在1. 0×10~3S/m到5. 0×10~5S/m范围内动态调节时,该MMA吸波特性在0. 442 THz到0. 852 THz范围内动态调节.另外,其相对调节带宽达到63. 37%,吸收率调制深度达到60. 22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.     

基于氧化钼薄膜的光控太赫兹传输特性研究

本文采用热蒸发法制备了沉积在硅片上的200nm 氧化钼(MoO₃)的太赫兹调制薄膜。 在室温条件下,通过傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)技术,研究了MoO₃薄膜在不同激励光功率下的太赫兹传输特性。提出了薄膜重要光学参数的提取模型,利用透 射式太赫兹时域光谱技术测量了薄膜的时域信号,分别计算了太赫兹波在薄膜中的透过率及 调制效率及薄膜的复介电常数变化。结果表明,在980 nm激光器条件 下,随着激光器功率 的提高,MoO₃薄膜的太赫兹调制深度逐渐增加。在激光功率为266 mW时,在0.26 THz处 透过率达到最低为61%,调制效率(Modulation factor)达到最高为10%。通过分析MoO₃薄膜 的复介电常数及载流子密度变化,得出了激发生成的载流子浓度的提高导致介电常数的改变 , 增强了薄膜的导电性,从而减低了太赫兹波在薄膜中的透过率的结论。为MoO₃薄膜应用在 太赫兹波段调制领域提供了实验数据。     

Microlens fabricated in silicon on insulator using porous silicon

In order to realize the planar gradient refractive index (GRIN) microlens which is based upon porous silicon (PSi) and fabricated on silicon on insulator (SOI), a novel anodization method is used by applying lateral electric field. The microlens with smooth variation of the effective optical thickness is achieved. The lens is transparent in the infrared region, including the optical communication window (1.3 μm<λ<1.6 μm). This approach also allows the fabrication of an array of such lenses on SOI, and the GRIN microlens can be used as potential components in future silicon-based integrated optical circuits.     

Compact cw Terahertz Spectrometer Pumped at 1.5 μm Wavelength

A compact and low-cost continuous wave terahertz spectrometer operating at an optical wavelength of 1.5 μm is presented. The spectrometer employs high power distributed feedback (DFB) laser diodes in integrated “butterfly” packages. No further optical amplification of the beating signal is required. An integrated photodiode antenna with an output power of 5 μW at 500 GHz is used as efficient terahertz emitter. Employing low-temperature grown (LT-) InGaAs/InAlAs photoconductive receivers as coherent detectors, SNR values of the terahertz power up to 75 dB are attained at an integration time of 300 ms. Accurate characterization of the thermal tuning behavior of the DFBs and precise thermal control yield an absolute accuracy of 1 GHz and a resolution of better than 5 MHz, without any on-line monitoring of the optical frequency. Due to the high frequency resolution no delay line is needed to vary the terahertz phase.     

基于合成技术的毫米波太赫兹固态功放研究进展

随着下一代通信和装备向着更大带宽和更高精确度的方向发展,毫米波太赫兹频段成为微波技术研究的重点方向。发射功率是太赫兹系统中的关键指标,功率的大小直接决定了系统的作用距离。近些年来,毫米波太赫兹频段的固态功率器件取得了显著进步,推动了国内外太赫兹固态功率放大器的工程实现。本文介绍了国际上毫米波太赫兹频段功率合成技术和固态功放的研究现状,以及我国特别是南京电子器件研究所在W波段与G波段基于径向功率合成技术、矩形波导合成技术以及硅基波导合成技术的固态功放模组的最新研究进展。