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。     

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.     

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.     

基于硅基微结构高性能太赫兹波电控调制器

通过硅基微结构与二氧化钒(VO2)相变薄膜相结合,设计并实现了一种电控太赫兹幅度调制器件。该调制器具有很高的太赫兹波透射率与极低的器件插损,同时具有大的工作带宽和调制深度。仿真和实验测试结果表明,该调制器对太赫兹波的增透响应带宽为0.25~0.95 THz波段。在0.4~0.85 THz频段内(约450 GHz宽带)的透射率超过80%,相较于硅衬底的透射率增加了10%以上,且透射率最高可达85%。对该器件电调控后,调制深度可达76%以上,器件透射率变化幅度可达65%。因低插损、大调制幅度以及宽工作带宽,该太赫兹调制器在太赫兹成像和通信系统中具有重要的应用价值。     

石墨烯太赫兹调制器及330 GHz无线通信系统

现有太赫兹无线通信系统通常采用微波倍频或直接调源的方式。本文从太赫兹波空间调制技术出发,研究了一种基于直接调制技术的太赫兹无线通信系统。重点探索了一种基于石墨烯/半导体硅的复合结构(GOS),研究出调制速率达到1 MHz,调制深度50%以上,工作频带覆盖0.2 THz~2 THz频段的新型全光学太赫兹调制器。在此基础上,构建了330 GHz载波频率的太赫兹无线通信系统,实现了1 Mbps的通信速率。     

基于硅基等离子超表面的可调太赫兹调制器

由于硅对太赫兹的调制效果较差,所以从理论上和实验上研究了基于硅基等离子诱导透明(PIT)超表面的太赫兹调制器。研究结果发现在透射光谱中可以观察到明显的透明窗口,该透明窗口是由2个谐振器之间的近场耦合引起的。实验结果表明,随着泵浦光功率的增加,透明窗口出现了蓝移。当光泵功率从0 m W增加到700 m W时,0.70 THz处的振幅调制深度可以达到80.75%,同时研究了它的慢光效应。设计的这种新型的超表面结构增强了硅的调制效果,提供了一种实际应用的可能。     

基于VO2相变的光控太赫兹调制器

基于VO2薄膜相变特性,通过在石英基底上制备VO2薄膜和亚波长金孔阵列,并在理论和实验上研究了金属孔阵列与VO2薄膜置于基底同侧和异侧的两种太赫兹(THz)调制器。系统研究了在光泵浦条件下两种样品的THz波的传输特性。结果表明,随着泵浦光功率的改变,两种结构的器件均可以实现对THz波强度的调制。对比分析两种结构器件的THz透射谱发现,紧邻金属孔阵列的金属相VO2能够有效地抑制THz表面等离子体的局域透射增强效应,使调制器的调制深度得到显著增强,这对基于相变材料调制器的设计具有重要意义。     

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。     

基于银/碳纳米颗粒近红外驱动的大调制深度太赫兹调制器

近红外光驱动的太赫兹调制器是太赫兹/红外光纤混合通信系统中的重要组成部分。这里提出了一种基于银纳米颗粒/碳量子点（Ag NPs/CDs）近红外驱动的太赫兹调制器。实验结果表明，银纳米颗粒（Ag NPs）与碳量子点（CDs）的结合会引起纳米颗粒的量子尺寸效应和介电限域效应，利用Ag NPs/CDs可以增强硅基底对近红外光的吸收，从而实现近红外驱动的太赫兹波调制。通过808 nm的近红外调制激励源，对样品进行了0.22～0.33 THz范围内的太赫兹透射特性的表征，与参考硅基片相比，Ag NPs/CDs近红外太赫兹调制器的调制深度可以达到83%左右，显著高于参考硅基片的调制深度（～54%），实现了大调制深度的太赫兹波调制。本研究工作在太赫兹/红外光纤混合通信系统中拥有重要的应用价值。     

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。     

Tunable,Grating-Gated,Graphene-On-Polyimide Terahertz Modulators

An electrically switchable graphene terahertz (THz) modulator with a tunable-by-design optical bandwidth is presented and it is exploited to compensate the cavity dispersion of a quantum cascade laser (QCL). Electrostatic gating is achieved by a metal grating used as a gate electrode, with an HfO₂/AlO_x gate dielectric on top. This is patterned on a polyimide layer, which acts as a quarter wave resonance cavity, coupled with an Au reflector underneath. The authors achieve 90% modulation depth of the intensity, combined with a 20 kHz electrical bandwidth in the 1.9–2.7 THz range. The modulator is then integrated with a multimode THz QCL. By adjusting the modulator operational bandwidth, the authors demonstrate that the graphene modulator can partially compensate the QCL cavity dispersion, resulting in an integrated laser behaving as a stable frequency comb over 35% of the operational range, with 98 equidistant optical modes and a spectral coverage ~1.2 THz. This paves the way for applications in the terahertz, such as tunable transformation-optics devices, active photonic components, adaptive and quantum optics, and metrological tools for spectroscopy at THz frequencies.     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.     

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。     

基于双重共振响应的太赫兹柔性可拉伸超表面（特邀）

可拉伸器件中太赫兹波特性的主动控制对于涉及大机械变形或拉伸的先进太赫兹应用至关重要。将金属超表面与弹性薄膜聚二甲基硅氧烷相结合,设计并研制了基于不同微观机理的双带太赫兹波段主动控制器件。利用金属与弹性薄膜在拉伸作用下的形变失配,通过周期敏感的十字结构超表面实现了双带调制效果。在36%的拉伸下,利用偶极子模式和晶格模式分别在1.26 THz和2.41 THz处实现了调制深度为90%和78%的双频带调制。通过晶格模式进行的调制工作频率具有较大的动态范围,可以从2.41 THz调谐到1.85 THz。由于电偶极子谐振模式和周期性晶格谐振模式的机制彼此独立,因此可以独立地设计两个谐振频率,从而在几何上调节双带调制器的频率间隔。提出的可拉伸超表面制备简单,具有强度调制深度大,频率调谐范围广的优点,既能用于太赫兹波的主动控制,也能用于被动式的位移传感。     

基于SRR的超材料太赫兹调制器结构设计与调制深度仿真

电磁超材料可用于构建具有控制太赫兹辐射通断功能的太赫兹强度调制器.利用COMSOL仿真软件,通过模拟仿真,研究了基于开口谐振环(SRR)“工字型”超材料太赫兹调制器关键功能结构对器件透射光谱的影响规律,并以此完成了高调制深度器件的结构优化设计.仿真结果表明:优化后器件调制深度达到了74％.