太赫兹波段反谐振光纤偏振分束器设计

偏振分束器是在光传感和集成光学等领域中非常重要的光学元器件,太赫兹波段被认为是未来大容量无线通信的载体.而双芯空芯反谐振光纤结构设计更加多变,对包层结构没有严格要求,能实现较高的性能以满足人们更多样化的需求,以双芯空芯反谐振光纤为基础设计适用于太赫兹波段的偏振分束器越来越值得深入研究.提出一种以环烯烃聚合物为基底材料的...     

太赫兹波段一维金属线栅的偏振特性研究

基于时域有限差分法(FDTD)对一维金属线栅结构在0.2～2.6THz波段的偏振特性进行了数值分析,研究了其结构参数如金属占空比、狭缝宽度以及线栅周期对相互垂直的两种偏振模式太赫兹波透射系数的影响。利用光刻和金属膜制备工艺,在1mm厚的高阻硅衬底上淀积了200nm厚的金膜,制成了一系列一维金属线栅结构。利用太赫兹时域光谱系统,实验测量了这些线栅结构的太赫兹透射特性,实验结果与模拟结果规律一致。结果表明:适当设计金属线栅周期,同时满足一定的金属占空比要求,其整体偏振和透射性能能够得到优化。金属线栅结构参数与其太赫兹偏振性能之间的关系为制造太赫兹偏振器提供了参考。     

基于方形开口环的太赫兹偏振转换器设计

基于方形开口环与金属棒组合的超材料结构,提出一种新型透射式太赫兹偏振转换器件。研究了基本结构单元的不同组合方式对偏振转换特性的影响,并通过优化结构单元的相关参数,提高了偏振转换功能的工作带宽。最终在0.45~1.30 THz范围内实现了高效的X-Y方向交叉极化偏振转换,有望用于集成化太赫兹偏振转换器件的研究和应用中。     

太赫兹波段可调窄带滤波器

提出了一种基于FDTD模拟的亚波长阵列结构的太赫兹波段可调窄带滤波器,其结构尺寸由16μm至160μm可调,因此可以实现滤波频率在2.5THz～20THz大范围内的调节,最小带宽达到0.04THz,实现了非常好的窄带滤波效应.此外,这种人工复合结构还可以通过改变其与太赫兹偏振夹角的方式改变太赫兹波偏振态,同时实现窄带滤...     

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。     

基于太赫兹偏振成像的砗磲材料检测

太赫兹波由于其所在波谱位置的特殊性,具有穿透性高,能量低,对极性分子敏感,对非金属非极性材料友好等特性,在无损检测、安全监测方面具有独特优势。利用太赫兹时域光谱成像系统,通过改变入射与探测光的偏振方向,对包含槽型缺陷的砗磲样品进行不同偏振方向的成像实验。由于砗磲材料本身透过率不高,色散较大,传统的直接成像结果无法分辨,难以达到预期效果。通过引入琼斯矢量和琼斯矩阵概念,对偏振成像结果再处理,可进一步提高成像效果。结果表明,此方法对所含缺陷的边缘信息十分灵敏,可以有效地提高砗磲材料成像结果的分辨力。     

偏振可调的太赫兹光电导天线设计北大核心

提出了一种偏振可调的太赫兹光电导天线,其结构由四个弧形金属电极、低温砷化镓衬底和氮化硅抗反射涂层构成。通过对光电导天线的工作原理分析,可以发现弧形金属电极结构决定天线的辐射偏振,且衬底的载流子迁移率、载流子寿命和衬底材料对激光的吸收直接影响天线的辐射特性。利用COMSOL软件对该光电导天线进行建模仿真,其结果表明该光电导天线可以在45°方向倍增地辐射线偏振太赫兹波,且辐射强度相较于常规光电导天线提高了30%,辐射带宽高达10 THz。所设计太赫兹光电导天线具有偏振可调、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹光谱检测领域具有广阔的应用前景。     

可产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源

基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统,使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压,对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上,通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度;经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成,可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波,实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。     

基于狄拉克半金属宽带的可调谐太赫兹偏振器

提出了一种基于狄拉克半金属超材料的双开口环结构的宽带偏振器,研究了狄拉克半金属费米能级以及中间介质厚度对偏振转换性能的影响。结果表明:当中间介质厚度为22μm,费米能级为70meV时,在1.44THz和1.95THz两个谐振频率处,偏振转换效率为100%;当中间介质厚度为22μm时,随着狄拉克半金属费米能级从64meV增加到70meV,高低两个谐振峰均产生蓝移;当狄拉克半金属费米能级为70meV时,随着基底介质厚度从19μm增加到22μm,低频处的谐振峰未移动,高频率点处的谐振峰红移。     

基于二氧化硅薄膜夹层式亚波长金属光栅的宽波段太赫兹偏振分束器

设计出一种结构新颖的宽波段太赫兹偏振分束器,这种偏振分束器由夹层式亚波长金属光栅制成。亚波长金属光栅偏振分束器可以将入射的任意自然光分成两束偏振状态垂直的线偏振光。其中,TE模反射而TM模透射。设计的偏振分束器在3.5~5.5 THz波段可以达到很高的衍射效率与消光比。但是,在光栅的实际制作过程中,加工技术的缺陷引起的误差大大影响了光栅的性能,比如衍射效率,消光比等。因此文中对一些结构参数进行了计算,从计算结果可以看出这种偏振分束器也有很好的工艺容差。当覆盖层厚度D1与底层介质厚度D3的变化范围分别为1~1.2 m和2.8~3 m时,T0TM大于96.9%,R0TE大于98.7%。Tc和Rc分别大于31 dB和33.4 dB。结果显示,设计的偏振分束器在2 THz的带宽10的大角度范围内,衍射效率高于90%,消光比大于20 dB。因此文中设计对于太赫兹调制器件的研究,以及太赫兹通信系统的集成都有很大的参考价值。     

基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究

设计了一款太赫兹准光探测器, 该探测器主要由砷化镓肖特基二极管芯片以及高阻硅透镜组成.为了减小所设计芯片的欧姆损耗, 将天线图案生长在了半绝缘砷化镓层上.在335～350GHz频率范围内, 准光探测器的实测电压响应率为1360～1650V/W, 双边带变频损耗为10.6～12.5dB.对应估算的等效噪声功率为1.65～2pW/Hz1/2.基于所设计的准光探测器进行了成像实验, 该实验分别在直接检波和外差探测两种模式间进行, 成像结果表明所设计的太赫兹准光探测器能够满足太赫兹成像方面应用.     

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.     

太赫兹共振隧穿二极管探测器研究进展及应用

太赫兹波独特的性质使其在物理学、生物学、医疗诊断、无损检测、无线通信等领域有着广阔的应用前景。共振隧穿二极管(RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件,利用其负微分电阻和直流非线性特性,可以分别实现太赫兹波的产生和探测,近年来获得越来越多的关注。基于RTD的太赫兹探测器具有可室温工作、体积小、易集成、灵敏度高等特点,使其在未来短距离、超高速的太赫兹无线通信及万物互联等场景具备优势。本文将重点介绍太赫兹RTD探测器的研究进展及其应用进展,并对后续技术发展进行展望。     

太赫兹硅基微环谐振器的设计与分析

设计了一个工作频率在太赫兹大气传输第一窗口的硅基波导型微环谐振器。利用传输矩阵法和耦合模理论计算微环谐振器的传输函数,并对波导耦合系数进行分析,获得微环谐振器的临界耦合条件。采用时域有限差分法分析微环谐振器的性能参数,并与串联双环谐振器性能参数相比较。结果表明：单环谐振器的自由谱宽范围为27 GHz,插入损耗为0.3 dB。单环与双环谐振器的响应谱线形状因子分别为0.16和0.52,即串联双环谐振器使谐振谱线顶端更平坦,滚降度增高。Abstract：关键词：     

太赫兹无线和有线融合通信技术的研究与展望

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹通信系统成为研究热点之一,但太赫兹无线通信存在视距传播以及较大路径损耗缺点,太赫兹无线和有线融合传输则兼具两者优点。本文分析了光子太赫兹信号产生、光子太赫兹无线链路传输和光子太赫兹光纤链路传输过程中涉及的器件和技术,重点介绍了太赫兹有线传输的研究现状,并通过基于强度调制直接检测实现1.485 GBaud 350 GHz的1 m太赫兹光纤有线实时传输视频实验,展现了太赫兹有线传输巨大的发展潜力。     

基于频率梳的太赫兹辐射强度测量

为实现太赫兹辐射特性精准认知,开展太赫兹辐射绝对强度测量研究。通过光学频率梳产生太赫兹频率梳,利用太赫兹频率梳实现太赫兹辐射源空间强度测量。本文利用电光采样和光电导探测两种方式,实现了100 GHz辐射源空间辐射强度测量;将100 GHz辐射总功率溯源到标准太赫兹功率计,实现太赫兹辐射强度绝对测量。分析比较了利用800 nm空间光进行电光采样和利用1550 nm光纤激光进行光电导探测的测量结果。本文在不同距离下,对太赫兹辐射源的空间辐射绝对强度进行了测量,实验揭示了太赫兹辐射传输的空间演化特性。     

太赫兹衰减全内反射油品检测系统中的棱镜设计

为了获得油品在太赫兹波段的衰减全内反射光谱,实现对油品的在线检测,利用光的折射定律,对太赫兹衰减全内反射系统中的核心部件——衰减全内反射棱镜进行了设计和实验。设计了单次反射棱镜,根据不同物质对太赫兹波的吸收程度不同,将单次反射棱镜用于太赫兹衰减全内反射系统,并进行了水和成品油的测试实验,取得了样品的光谱数据;进一步设计了多次反射棱镜,以增加油品对太赫兹的吸收,并对其进行了光学仿真。结果表明,经过单次全内反射,油品对太赫兹的吸收非常有限,无法实现对成品油的检测。该研究对下一步的油品检测是有帮助的。     

应用于太赫兹源信号实现的宽带四倍频链路设计

由于集成电路工艺截止频率Ft的限制,直接通过振荡器获取的太赫兹信号源具有输出功率低、带宽较窄等问题。针对该问题,提出一种可实现高性能太赫兹源的宽带倍频链路设计。对比了传统push-push技术与改进的跨导增强push-push技术,并提出将跨导增强push-push技术运用到倍频器中,提高了倍频链路的倍频增益;在链路级间采用具有幅度与相位纠正功能的新型有源巴伦结构,进一步提高了倍频器的倍频增益与谐波抑制性能。仿真结果表明,倍频链路可实现带宽为210~256 GHz,饱和输出功率为-0.5 dBm,峰值倍频增益为-0.55 dB的太赫兹信号源,链路的总直流功耗仅为30.6 mW。     

太赫兹超材料生物检测应用研究进展

超材料作为一种具备超常物理性质的人工复合材料,能够突破常规材料的限制,为设计先进功能材料开辟一种全新的思路。太赫兹波由于具有光子能量低、对生物物质无电离损害和分子指纹谱等特性,通过与超材料结合,可实现对生物物质高灵敏检测,越来越受到国内外学者的广泛关注。本文总结了近几年来太赫兹超材料传感器在生物分子和细胞检测领域上取得的进展,首先介绍了太赫兹超材料传感器的传感原理和性能指标,其次从超材料结构设计、衬底选择、以及与微流控和新材料结合等方面阐述了太赫兹超材料传感器在生物检测领域的发展。通过对超材料结构进行优化、采用低介电常数薄型衬底、结合微流控技术或在传感器上粘附新材料涂层,可进一步提高超材料传感器的灵敏度,并丰富其在生物医学检测上的功能。最后,对太赫兹超材料传感器的发展趋势和前景进行了展望。     

一种工作于太赫兹频段的石墨烯天线

为克服金属材料在太赫兹频段的工艺不足,利用石墨烯在该频段的特性,设计了一款工作于1.0 THz的石墨烯贴片天线。根据随机相位近似(RPA)的石墨烯表面电导率模型,研究了面电导率与频率(太赫兹波段)以及化学势的变化关系,确定了石墨烯材料的物理参数。该天线结构由石墨烯贴片,聚酰亚胺衬底和地板组成。利用HFSS软件优化,其尺寸仅为220 μm×140 μm×9 μm。石墨烯贴片天线工作频段为0.98~1.02 THz,-10 dB相对阻抗带宽为4.0 %,最大辐射方向上的增益达7.32 dB。此外,该天线具有尺寸小,轻便,机械性能稳定,结构简单且易集成的特点。