基于S型Y分支波导的石墨烯M-Z电光调制器设计

利用COMSOL软件设计了一种基于S型Y分支SOI脊波导的石墨烯M-Z电光调制器,并对Y分支波导曲率半径、相位臂长度、芯层间距和输入输出直波导长度等结构参数对调制器的影响进行了分析.在此基础上对电光调制器的性能指标进行了计算和优化,最终设计出了3 dB带宽为143 GHz、消光比为15.05 dB的硅基石墨烯M-Z电光调制器.     

太赫兹波前调控器件

正太赫兹波在电磁波谱中介于红外和微波之间。由于其具有许多潜在的应用,得到了人们广泛的重视、人们研发了许多用于太赫兹波谱裁剪和强度调制的器件、但是,却缺少太赫兹波前调制器件。介绍两种新的波前调制方法。第一种方法利用亚波长金属天线实现太赫兹的相位调制。选择八种亚波长天线,他们对太赫兹的振幅调制相通,但相位调制不同。根据不同的波前调制要求可以合理安排天线的分布。设计、制作并表征了透镜、衍射光学元件以及计算相息图、第二种方法是利用空间光调制器将泵浦光打在硅基底上。光生载流子的分布形成了太赫兹振幅全息图,通过光的一级衍射就可以实现预定的振幅相位分布。太赫兹全息图的变化可以达到每秒60帧,实现真正的动态调制。实验结果验证了方法的可行性。     

石墨烯太赫兹波段性质及石墨烯基太赫兹器件

石墨烯在太赫兹波段的优异性质,使其在太赫兹源、太赫兹探测和太赫兹调控三个方面都具备广阔的应用前景。主要对石墨烯在太赫兹波段的性质及石墨烯基太赫兹器件的相关研究进行了综述,并对石墨烯在太赫兹波段的应用前景进行了展望。在石墨烯太赫兹波段性质方面,主要介绍了石墨烯的电导模型、静态和超快光谱响应特性,以及表面太赫兹波辐射特性。在石墨烯基太赫兹器件方面,主要综述了基于光、电、磁调控的太赫兹主动器件,石墨烯基超材料的太赫兹调制器,基于阻抗匹配的减反射调控器件,以及可调太赫兹源器件的最新研究进展。     

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。     

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。     

基于几何相位的高透射型太赫兹超表面设计

文中提出一种基于几何相位的透射型超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了对入射圆极化波的波前任意操控和太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由典型的“三明治”型结构,即金属-介质-金属结构组成,顶层和底层金属图案均是由“C”型和矩形组成。利用几何相位原理,在工作频点下通过旋转金属结构对其相位进行调控,同时交叉极化透射幅度较高（>0.9）。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成用于产生异常偏折现象、不同拓扑荷数涡旋光束的编码超表面。仿真结果表明,在0.63 THz处,设计的编码超表面能够对电磁波进行良好的调控,产生折射角为±50.1°和30°的异常折射现象,拓扑荷数l=±1两种模态的涡旋波束,在激光雷达和太赫兹大容量通信等领域具有潜在的应用价值。     

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。     

激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究

研究了太赫兹波在透射波窗口封闭的激波管中的等离子体中的传输特性,获得了传输衰减量随等离子体电子密度、碰撞频率、透波窗口材料以及电磁波频率的变化规律,并比较了相同条件下毫米波的传输特性.利用激波管为实验平台模拟产生高速飞行器等离子体,开展了太赫兹波在等离子体中传输特性实验.结果表明,太赫兹波在相同电子密度和碰撞频率的等离子体中衰减量比毫米波小得多;随着等离子体碰撞频率的增加,太赫兹波传输衰减量先增加后减小,透波窗口增加了太赫兹波的传输衰减;随着窗口材料的介电常数增加,太赫兹波反射率增加,太赫兹波传输衰减曲线出现周期性振荡,振荡周期约5 GHz;太赫兹波通信可能作为一种解决再入飞行器黑障问题的有效技术途径.     

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

正弦波导慢波结构的研究

提出了一种新型的可用于产生、放大毫米波和太赫兹波的正弦波导慢波结构。该结构有天然的带状电子注通道,具有低欧姆损耗和弱反射,且易于加工等独特性质。计算了慢波结构的高频特性,粒子模拟分析了该慢波结构在220GHz行波管及220GHz返波管中的应用潜力。研究结果显示,正弦波导将是一种很有潜力的可应用于大功率毫米波及太赫兹辐射源的慢波结构。     

基于异常反射型超表面的天线反射面设计

在实际应用中有许多场合需要对电磁波的传播进行人工调控, 传统的光学器件或者人工电磁介质都是采用三维结构, 但传统的三维结构介质很难与其他器件或设备进行集成.利用相位非连续人工电磁表面则可以在传播路径的介质分界面上引入相位突变, 进而实现人工调控电磁波.文章在此基础上在微波波段利用构造分界面相位梯度提出了一种异常反射型超表面的设计, 用作天线反射面可将圆极化波高效地转化为交叉极化波, 为微波段的电磁波人工调控提供了新的手段.根据广义反射定律及斜入射时相位突变修正设计的天线反射面, 在X波段可以实现对入射电磁波的人工调控, 并通过仿真分析验证了该设计方法的准确性, 为人工电磁表面作为天线反射面提供了一种设计思路.     

Rectangular Waveguide With Metallic Nanostructure Driven by Magnetic Field

The changes in the propagation constant of the TE₁₀ mode of a rectangular waveguide with a metallic nanostructure, occurring under an external magnetic field have been investigated. Expressions for complex reflection and transmission coefficients have been derived. The dependence of the reflection coefficient upon the intensity of the external magnetic field is analyzed. It is shown that the experimental values of the propagation constant or the reflection and transmission coefficients can be used to estimate the value of the microwave magnetoresistance of nanostructures. Experiments on the measurement of the reflection and transmission coefficients in a waveguide with an (Fe/Cr)n nanostructure have been performed in millimeter and centimeter wave bands.     

基于调制边带法的高次倍频光毫米波产生

提出了利用外调制技术的调制边带法的六倍频和八倍频光毫米波产生方案。方案仅采用一个马赫曾德尔调制器,并利用其非线性传输特性,通过调节MZM 的偏置电压和调制电压,控制边带的强度,仅保留三阶边带或四阶边带,从而实现六倍频及八倍频光毫米波的产生。采用将基带数据信号仅调制在一个三阶边带或四阶边带分量的方式,有效防止走离。数值分析结果表明,提出的方案仅需10 GHz 及7.5 GHz 的调制信号频率就能得到60 GHz 毫米波,大大减小了调制信号频率,增加了上变频系数,传输距离可达160 km,而功率代价变化不大。与提出的其他高倍频技术相比,由于系统仅采用一个马赫曾德尔调制器,提出的方案系统结构更为简单,且此方案色散影响较小,传输距离更长。     

基于光子晶体方形谐振器的可调谐光信号分离器

在二维光子晶体结构中通过调节光子晶体方形谐振器PCSRs(Photonic Crystal Square Resonators)与波导的耦合长度、耦合宽度、及其耦合柱半径优化设计了光信号分离器.借助于CMT(Coupled-Mode Theory)理论定性分析了两个PCSRs存在相互作用时,结构中波导与谐振腔之间的电磁波耦合性能,用FDTD方法研究了两信道传输工作特性.表明在设计的参数范围中,基于PCSRs的信号分离器具有高正规化传输率、窄带宽、平稳的信号传输强度,中心波长调谐范围宽的特性.该类结构可用于同一中心波长信号的功率二等均分,也可用于不同中心波长信号的分离.该微型结构在片上的光路设计将是一类有潜力的构筑模块,适于光通信领域波分解复用设计、光路集成设计等方面.     

Measurement of the high-frequency giant magnetoresistance of nanostructures in the traveling-wave mode

The change that occurs under the action of an external magnetic field in the propagation constant of the H ₁₀ mode of a rectangular waveguide containing a metallic nanostructure is investigated. Expressions for the complex reflection and transmission coefficients are derived. The dependence of the reflection coefficient on the intensity of the external magnetic field is analyzed. It is shown that experimental values of the propagation constant or the reflection and transmission coefficients can be used for estimation of the value of the microwave magnetoresistance of nanostructures. Experiments on the measurement of the reflection and transmission coefficients in a waveguide with an (Fe/Cr)_n nanostructure are performed in the millimeter and centimeter wave bands.     

悬置槽线行波相位调制器的特性分析

提出一种新颖的集成光波导行波相位调制器结构，它利用悬置槽线作为调制器的外调制电路，减小了光波和调制波之间的速度失配，提高了相位调制器的调制带宽。采用谱域等效传输线法分析了悬置槽线的传播特性．     

Theoretical Study of Millimeter Wave Harmonic Oscillator Stabilized with a Transmission Cavity

An equivalent circuit model of millimeter wave second harmonic oscillator stabilized with a transmission cavity has been proposed for constructing analytical formulations between performance parameters of the oscillator and parameters of the circuit. The model consists of an equivalent circuit of fundamental wave and that of second harmonic wave. Each of the circuits comprises circuit models of main cavity, transmission waveguide, and transmission cavity. Absorbing material placed between the transmission waveguide and the transmission cavity can suppress additional resonances originated from transmission cavity. The behavior of the second harmonic oscillator can be effectively described by the circuit model. Furthermore, based on this model, mechanical tuning characteristics have been studied at first, and then analytical formulas for quality factor and efficiency depending on circuit parameters have been derived. The circuit parameters can be conveniently extracted by electromagnetic field simulation. Hence the formulas exhibit both compact form and enough accuracy. Thereafter, general rules of performance parameters varying with circuit parameters have been deduced for the harmonic oscillators. Then some design considerations have been derived according to the corresponding analysis. The equivalent circuit model is useful for designing and adjusting millimeter wave second harmonic stabilizing oscillator with a transmission cavity.     

8mm波段圆波导TE11模式过渡器的设计

模式过渡器是微波毫米波系统中的重要部件,它实现微波在两种尺寸不同的器件间传输。根据耦合波理论推导出耦合波方程,由该方程及模式过渡器设计原理提出一种线性渐变轮廓和两种非线性渐变轮廓的圆波导TE11模式过渡器。利用高频系统仿真软件HFSS分析比较了8mm波段内三种过渡器的具体长度、端口反射系数及相对功率分布,所得结果与设计要求符合,可以在工程中应用。     

一种新型毫米波集成波导微带转换的分析与设计

提出一种新型集成于单层微带基片的毫米波集成波导微带转换 ,由一圆形微带谐振器、微带共面波导探针组成。利用全波分析软件对该转换器进行了分析计算、优化设计。测试了波导微带转换实物 ,结果表明 ,在Ka波段在 1 GHz频带内 ,该波导微带转换具有较低的插入损耗 ( <0 .4d B)和反射损耗 ( <-1 4d B)。可满足相关毫米波微带集成电路系统的应用要求。     

光在非均匀介质中反射和透射系数的精确解析

对任意非均匀介质波导通过分层转化为多层波导再利用分析转移矩阵方法(ATMM)考虑层间子波相移的贡献,定义了包含主波和子波的总波数(General Wave Number),得到了光在非均匀平板介质波导结构中传输的反射系数和透射系数表达式。从推导过程和解析式表明：推导过程没有引入任何的近似得到的结论是可靠精确的;解析式本身非常简明且物理意义清晰;所得到的解析式既适合于折射率均匀的分层结构又适合于折射率非均匀变化的各种复杂结构。预计在薄膜加工工艺中具有非常广泛的的应用前景。