基于超材料的太赫兹幅度调制器设计

提出了一款基于超材料的太赫兹幅度调制器,其结构由开口"弓"形超材料结构、高电子迁移率晶体管、斜十字馈线和碳化硅衬底四部分构成."弓"形超材料结构开口处的连通和断开两种状态将对通过该结构的太赫兹波产生不同的响应.在开口处添加高电子迁移率晶体管可模拟开口连通和断开的效果.当对晶体管上的栅极不施加偏压时,超材料结构开口相当于导通,对太赫兹波透射系数高;当对晶体管上的栅极施加偏压时,超材料结构开口相当于断开,对太赫兹波透射系数低.仿真结果表明,在0.22 THz处,对晶体管栅极不施加偏压时,调制器的透射系数为0.579;对晶体管栅极施加偏压时,调制器的透射系数为0.040.通过公式计算得到其调制深度为93％,而且对x和y极化入射波具有不敏感的特性.同时,通过分析0.22 THz处的电场分布和表面电流分布研究了该太赫兹调制器的工作原理.所设计的太赫兹调制器具有调制深度高、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹通信领域具有广阔的应用前景.     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤调制器

太赫兹调制器作为太赫兹技术应用的重要器件之一，在太赫兹通信、成像和传感等领域具有广泛应用前景。但是目前太赫兹调制器调制深度、工作带宽、稳定性等有待提升，这制约了太赫兹技术的进一步推广与发展。基于此，设计并制备了一种新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤（SPTF）调制器，将砷化镓转移到太赫兹光纤抛磨区，增强太赫兹波倏逝场与砷化镓相互作用。在外置808 nm激光器照射下实现对太赫兹波幅度调制，调制深度达到97.4%。实验结果表明，这种新型的光纤调制器具有较好的光控调制效果。同时，该器件体积小、集成度高，具有广泛应用的潜力。     

基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件

设计并制备了基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件,并对其调制效果进行了模拟仿真和实验验证。该器件以嵌在石墨烯和超表面之间的离子凝胶为电解质,以石墨烯为主动材料,用超表面实现太赫兹波与石墨烯相互作用的增强。通过外加偏压调节石墨烯的电导率,进而达到对太赫兹波的主动控制。结果表明:该器件在较小的外加偏压下就可以在谐振频率处实现73%的调制深度,并且在调制过程中谐振频率几乎保持不变。该器件为小电压下的大幅度太赫兹调制提供了一种新手段。     

基于合成超构材料的太赫兹调制器设计

为了研究利用新型器件提高辐射控制的能力,利用合成超构材料演示了一种太赫兹有源调制器的设计。该结构采用三维设计,除通过电压调节基底耗尽层载流子复合之外,还通过悬臂结构调节该结构的等效电磁参数,最终达到有效调节器件响应的目的。研究表明该器件能够实时、有效地对太赫兹辐射进行控制和操作。其对透射率的调制可达75%,频移0.1 THz,优于目前基于二维平面方法设计的太赫兹调制器件。     

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。     

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。     

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。     

基于GaAs表面等离子体栅阵结构的太赫兹调制器

太赫兹波具有载频高、带宽大、频谱信息丰富等特点,其在高速通信、分子检测和生物医学成像等领域的潜力已得到广泛关注。太赫兹调制器是太赫兹检测系统中的关键器件,但是当前已报道的调制器都不能同时具备高效、高速、低插入损耗等特点。因此,提出并设计了一种基于GaAs肖特基二极管结合表面等离子体栅阵结构的电控太赫兹调制器。该器件将谐振腔和金属栅阵的电场增强效应相互叠加,大幅提升了器件的调制性能,实现了0.4～1.4 THz范围内多频点调制,最高调制深度约为80%,插入损耗低于10 d B，调制速度大于100kHz。     

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.     

Characterization of an Electrically Controlled Metamaterial Terahertz Modulator Using Dynamic Measurement Method

The characterization results of a typical electrically controlled metamaterial terahertz (THz) modulator obtained by the dynamic measurement method are presented and are in good agreement with the theoretical results predicted by a first-order model. The dynamic measurement method can characterize the modulation depth and modulation speed simultaneously. The reliability of the method is verified by terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS), and the current response method, which show that the more intuitive and comprehensive dynamic measurement method, can be used to characterize the electrically controlled metamaterial THz modulator accurately.     

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。     

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。     

A metamaterial terahertz modulator based on complementary planar double-split-ring resonator

A metamaterial based on complementary planar double-split-ring resonator (DSRR) structure is presented and demonstrated, which can optically tune the transmission of the terahertz (THz) wave. Unlike the traditional DSRR metamaterials, the DSRR discussed in this paper consists of two split rings connected by two bridges. Numerical simulations with the finite-difference time-domain (FDTD) method reveal that the transmission spectra of the original and the complementary metamaterials are both in good agreement with Babinet’s principle. Then by increasing the carrier density of the intrinsic GaAs substrate, the magnetic response of the complementary special DSRR metamaterial can be weakened or even turned off. This metamaterial structure is promised to be a narrow-band THz modulator with response time of several nanoseconds.     

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。     

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。