太赫兹表面等离激元及其应用

金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元(SPP)以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元(SSP)是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础.随着太赫兹科学技术的发展,太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注.本...     

太赫兹表面等离激元的研发与应用

表面等离激元的研究推动了超分辨成像、高灵敏传感、片上集成系统等应用的发展。将其应用在太赫兹这一高穿透性、高带宽波段时必然会带来更多迷人的功能。由于太赫兹波段频率较低,表面等离激元具有许多不同于可见光的现象。通过控制金属表面微纳结构或半导体材料与太赫兹波之间的相互作用,人们实现了对太赫兹波表面波的控制。本文综述了太赫兹波段表面等离激元的基本原理和研究历程,介绍了近年来在此波段开展的热门研究成果,如波前整型、片上波导、可调谐器件等,最后总结了这一领域的发展瓶颈并展望了未来主要发展方向,希望能够进一步推动太赫兹波段表面等离激元应用的发展。     

单椭圆太赫兹金属线表面等离激元的特性研究

使用有限元方法(FEM)分析了椭圆柱形金属线在0.5THz太赫兹波下的表面等离激元的特性。这种场与圆柱形金属线表面等离激元类似,具有低损耗、低色散的特性。研究结果表明,随着长轴与短轴比值的增加,椭圆柱形金属线的场逐渐分裂开并越来越向椭圆的两个尖端区域集中,损耗也一直在显著减小,故传播距离始终在增大。由于这些特性,椭圆形横截面金属线适用于太赫兹波导、聚焦以及成像等领域。     

太赫兹表面等离激元共振传感器探讨

太赫兹表面等离激元共振传感器,在生物科学以及医学领域中的应用比较广泛,本文主要通过对于经过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器工作特性的分析,实现对于太赫兹表面等离激元共振传感器的分析探讨。     

基于表面等离激元耦合调控石墨烯点阵结构

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章利用不受光信号的入射角和偏振方向影响的石墨烯点阵结构,结合石墨烯之间的表面等离激元耦合,通过改变底层石墨烯的费米能级,实现了石墨烯点阵结构谐振频率的调控。     

太赫兹人工表面等离激元波的聚焦与放大研究

通过在金属线表面刻蚀周期性凹槽来构造一种新颖的平滑渐变结构,可将传统同轴波导支持的导行电磁波转换为沿金属线表面高效传播的人工表面等离激元波.数值仿真和实验比对结果验证了文中设计结构的宽带和高效转换效能.在此基础上,又构造了一种渐变锥形周期性金属结构,实现了太赫兹频段电磁波的场强聚焦与放大.     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

基于渐变折射率的太赫兹人工表面等离激元片上透镜特性

借助于结构化的金属/介质界面所形成的人工表面等离激元,能够将太赫兹场束缚在亚波长量级,同时利用单元结构对几何参数的色散特性,可以在二维尺度上操纵太赫兹波,为集成化、小型化片上太赫兹功能器件的发展提供了解决途径。利用立体金属柱子结构的色散特性构建二维渐变折射率透镜,在此基础之上设计平面望远镜、波导耦合器、双功能透镜等二维太赫兹人工表面等离激元传输调控器件,并通过电磁仿真分析每种功能器件的工作性能。本工作不仅丰富了太赫兹表面波调控器件家族,并有望进一步发展表面等离激元链路的太赫兹片上系统。     

石墨烯/光子晶体混合结构的可调谐表面等离激元自准直

文章探究了中红外波段表面等离激元在石墨烯/光子晶体混合结构传输的自准直现象。在石墨烯的硅基底上设计了二维周期圆形空气孔结构,该结构能够实现表面等离激元光子晶体的特性。运用平面波展开法计算石墨烯表面等离激元光子晶体的能带,并计算出等频线。从该结构的等频线可以获得自准直的频率。我们进一步应用有限时域差分方法计算自准直频率在结构中的传输,可观察到该频率下石墨烯上的表面等离激元电场在通过该结构时出现自准直现象。在基底参数不变情况下,通过调节石墨烯的费米能,来改变等离激元光子晶体的能带,从而调节等离激元自准直频率。文章提出的基于石墨烯的等离激元自准直器件,有望应用于未来集成等离激元器件之间的连接。     

基于石墨烯/光子晶体混合结构的石墨烯表面等离激元波导

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章设计石墨烯与光子晶体的混合结构,利用光子晶体的能带结构和线缺陷的特点,形成了石墨烯表面等离激元波导,通过改变石墨烯的费米能级,实现了石墨烯表面等离激元波导频率的调控。     

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。     

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.     

基于石墨烯的太赫兹波调制器

石墨烯由于其优异的电学性能,在微波、毫米波、太赫兹波等领域显示出潜在的应用前景。本文设计了毫米波和亚太赫兹波频段的基于石墨烯的相位和幅值波导调制器。该石墨烯调制器可以通过调节石墨烯的表面阻抗来调控电磁波在波导中传播的振幅和相位;分析了石墨烯片的长度和位置对电磁波在波导中的透射和反射系数的影响,同时还分析了石墨烯化学势对电磁波在波导中传输和反射的影响。结果表明,通过调节石墨烯片的长度及其在矩形金属波导中的位置,可以调控调制器的反射系数、透射系数和透射相位调制范围,并满足器件级应用需求。     

基于FDTD的表面等离子体慢光波导传输特性分析

表面等离子体可以在亚波长尺度上实现对可见光及红外光的控制处理,对光集成的发展有巨大的推动作用。设计了金属一介质一金属结构的表面等离子光波导,利用时域有限差分法（FDTD）对其色散特性、群速度、场强分布进行分析。结果表明,在一定的频率范围内,此结构的光波导可以支持慢光模式,且群速度色散较小,可有效控制光脉冲的畸变,保持信号的完整性。     

基于石墨烯的可调谐高吸收率太赫兹超材料

提出一种基于石墨烯的双波段太赫兹超材料吸收体,它由金属-电介质-石墨烯3层超材料结构单元在水平方向上进行周期性拓展而成。仿真结果显示,其在太赫兹波段6.62 THz和 9.36 THz分别产生99.9%和98.9%的高吸收率;通过改变石墨烯的费米能级,可以灵活地控制吸收体的谐振频率和吸收强度,而吸收体的吸收强度也可以利用石墨烯的弛豫时间进行单独控制。另外,研究了吸收体中间介质层厚度和介质损耗对吸收率的影响,这为吸收体初始加工工艺参数的确定提供了依据。研究结果表明,提出的基于石墨烯的太赫兹超材料吸收体结构简单,易于加工,可通过偏置电压或者化学掺杂,简单地实现吸收体的可调谐性,为双波段高吸收率太赫兹超材料吸收体的设计提供了重要参考。     

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。     

碟形天线耦合的CVD石墨烯室温太赫兹探测器

基于本征高迁移率、无能隙光谱以及非特征频率吸收的特性,石墨烯在太赫兹频段的调制器和探测器应用被予以厚望。制备了碟形天线耦合的CVD石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器,实现了室温的高灵敏太赫兹探测。采用Au膜辅助转移技术屏蔽了有机物对石墨烯的沾污,配合自对准工艺控制了栅源间寄生效应,石墨烯器件场效应迁移率达7 000 cm²/（V·s）,且在室温下表现出较高的太赫兹探测灵敏度, 0.3 THz频率下器件的电压响应率为50 V/W,噪声等效功率为58 pW/Hz^0.5。     

石墨烯纳米带p-i-n结构太赫兹探测器的设计

研究了石墨烯纳米带横向p-i-n结构探测器对太赫兹波的响应特性,基于载流子输运方程和泊松方程,建立了考虑迁移、扩散、生成、复合等载流子运动的太赫兹探测器数学模型。根据该模型,对石墨烯纳米带横向p-i-n结构的太赫兹波响应进行了仿真,获得了反向栅压诱导生成的p-i-n二极管的能带图;进而探讨了纳米带宽度、i区长度及偏置电压对响应电流的影响,分析表明石墨烯纳米带带隙随宽度增大而减小,响应频率减小;i区长度与载流子寿命匹配时响应电流达到峰值;光电流随偏置电压的增大而增大,并趋于饱和。