基于SrTiO_3的频率可调谐太赫兹超材料吸波器（英文）

基于温度敏感材料钛酸锶(SrTiO3)提出了两款频率可调谐太赫兹(THz)超材料(MM)吸波器。由于SrTiO3材料的复值介电常数与外界温度相关,因此基于SrTiO3材料的太赫兹超材料吸波器的谐振频率可随外界温度变化。一款是基于十字金属谐振结构和SrTiO3介质层实现的,在200～400 K的温度范围内,其谐振频率可在1.62～2.44 THz的宽频带范围内实现主动调谐。另一款超材料吸波器通过在十字环金属谐振结构内填充SrTiO3材料来实现,而中间介电层仍然采用常见的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。当外部温度从200 K变为400 K时,谐振频率从1.11 THz移至1.58 THz,频率偏移达到了470 GHz,实现了频率可调的太赫兹超材料吸波器。可调谐超材料吸波器的实现可进一步扩展超材料吸波器的应用领域,从而更好地适应如太赫兹成像、太赫兹检测、传感和隐身等各种应用。     

应用于THz波的非对称双开口环传输特性研究

设计并制备了一种适用于太赫兹波段的非对称双开口环结构,数值仿真和实验测量了其传输性质.结果表明,垂直极化时样品在低频的0.540 THz和0.925 THz处存在谐振点,来源于左右两开口环的LC谐振,电流和电场分布主要集中在两开口环的开口处;而在高频处(1.885THz)谐振点的表面电流具有相反的两个环流方向,电流和电场分布于整个样品表面,此处的谐振来源于两开口环耦合后的偶极子谐振.当太赫兹波平行极化该样品时,原来两个低频的LC谐振消失.实验测量结果与数值仿真具有很好的一致性.此结构超材料的传输特性研究对太赫兹波调制器、滤波器、吸收器及偏振器等器件设计和制备具有一定的指导意义.     

基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器

为了实现具有多频或宽频特性的太赫兹超材料滤波器,通常将相同或不同的谐振结构在同一平面内进行组合或者进行多层堆叠.通过将尺寸相同的C-型谐振单元分别置于中间介质层的两端,实现了基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器,该滤波器具有较宽的阻带和较好的频率选择性.基于对该太赫兹超材料宽阻带滤波器C-型谐振结构表面的电场和电流分布的仿真分析,深入探讨了入射太赫兹波的传输机理,揭示了滤波器的滤波机制.基于对金属-介质-金属结构和金属-介质结构的超材料滤波器的滤波特性的仿真研究,揭示了宽阻带的形成机理.最后,采用PDMS薄膜制备工艺和金属磁控溅射方法对该超材料滤波器的样品进行了加工制备,并采用传输型的太赫兹时域光谱系统对其滤波特性进行了实际测试,验证了该超材料滤波器的结构设计、仿真和制备的正确性,为今后宽频带超材料滤波器的设计、制备和特性研究提供了参考.     

基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器（英文）

为了实现具有多频或宽频特性的太赫兹超材料滤波器,通常将相同或不同的谐振结构在同一平面内进行组合或者进行多层堆叠.通过将尺寸相同的C-型谐振单元分别置于中间介质层的两端,实现了基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器,该滤波器具有较宽的阻带和较好的频率选择性.基于对该太赫兹超材料宽阻带滤波器C-型谐振结构表面的电场和电流分布的仿真分析,深入探讨了入射太赫兹波的传输机理,揭示了滤波器的滤波机制.基于对金属-介质-金属结构和金属-介质结构的超材料滤波器的滤波特性的仿真研究,揭示了宽阻带的形成机理.最后,采用PDMS薄膜制备工艺和金属磁控溅射方法对该超材料滤波器的样品进行了加工制备,并采用传输型的太赫兹时域光谱系统对其滤波特性进行了实际测试,验证了该超材料滤波器的结构设计、仿真和制备的正确性,为今后宽频带超材料滤波器的设计、制备和特性研究提供了参考.     

异向介质体内太赫兹波增强效应及谐振特性研究

基于开口谐振环(SRR)的电磁响应特性以及严格电磁场理论,研究了由开口谐振环结构构成的异向介质体内的太赫兹波增强效应及谐振行为。仿真模拟了谐振环结构体内电场、电场能量密度和能流量的空间分布,讨论了电场能量密度随入射太赫兹波频率的变化规律。此外,还分析了谐振环结构参数对异向介质的谐振特性及其太赫兹波增强效应的影响。研究结果表明,在开口谐振环结构的开口缝隙处存在显著的太赫兹波增强效应,不仅电场显著增强,而且还会出现电场能量密度极值,并且,谐振时的电场增强效应比非谐振时明显增大。此外,谐振频率和电场能量密度均会随着谐振环结构参数的变化而呈现明显变化。     

太赫兹光子晶体光纤与天线设计

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为基质,设计了一种空芯多孔包层结构的太赫兹光纤,中心的大孔缺陷用于传输太赫兹波,周围四层小孔可以将太赫兹波的传播限制在缺陷内部。利用COMSOL软件对光纤的损耗特性进行仿真分析发现,光纤在0.6 THz的泄露损耗低于0.1 dB/m,具有良好的传输特性。和金属波导口可以当作天线辐射电磁波的原理相似,光纤的端面也可以作为天线将内部传输的太赫兹波向外辐射,通过仿真分析,天线在0.59~0.61 THz的回波损耗低于-25 dB,方向性系数大于20 dB,半功率波束宽度约为13。     

基于超材料的太赫兹分波器的研究

本文提出了一种基于超材料的太赫兹分波器,其结构单元由上下两层"一"字型金属线以及中间的石英介质构成.此分波器工作在太赫兹通信窗口,将中心频率为0.225 THz和0.300 THz的两束太赫兹波分离,其隔离度分别为34 dB、47 dB,插入损耗分别为0.19 dB、0.04 dB,分波器的群延迟稳定.另外,也对分波器...     

结构对太赫兹超材料光调控特性的影响

利用光泵浦太赫兹探测系统研究了3个基于开口谐振环的超材料的光调制性质。结果表明:当太赫兹波的电场矢量平行于超材料底边,设计太赫兹超材料时,需要避免对称性样品的中间条等长。然而,非对称性的样品存在耦合和劈裂现象。由于不同的共振机制,低频LC共振对光较为敏感。虽然样品由于设计结构的区别使得各自共振峰位有所不同,但它们对光所呈现出的调制特性是相同的。即当太赫兹波的电场矢量平行于超材料两侧的边时,由于结构的原因在透射谱中只有一个透射凹陷,此透射凹陷表现为偶极共振且该偶极共振特性对光激励不敏感。     

一种取向诱导的多共振超材料及折射率传感性能分析

提出了一种新型取向诱导的多谐振太赫兹超材料。超材料由双金属线(DCW)和非对称开口环谐振器(ASR)构成。数值仿真表明,当改变SR绕其中心旋转的角度时,导致亮模式和暗模式的耦合作用发生改变,产生不同类型的谐振现象。当SR旋转角为15°时,由于谐振结构对称性被打破,分别在0.67 THz、0.82 THz和0.83 THz出现了类EIT、四偶极子共振和Fano共振现象;当SR旋转角度为90°时,所有共振现象最终消失。此外分析了SR旋转角度为15°时的超材料传感性能,类EIT谐振峰、四偶极子共振和Fano共振灵敏度分别为127、107和108 GHz/RIU。该超材料作为折射率传感器,最大理论灵敏度达到127 GHz/RIU,表明该超材料具良好的传感特性。     

基于光子晶体缺陷模频移的超快光控太赫兹波调制器

本文设计了一种基于非线性光子晶体缺陷模频移实现太赫兹(terahertz, THz)波传输阻断的超快光控调制器,该调制器采用在硅基空气柱光子晶体中引入线缺陷和填充砷化镓材料的点缺陷结构,线缺陷形成波导区,传输频率位于光子带隙范围内的THz波,点缺陷作为谐振腔对THz波选频,与谐振频率(缺陷模频率)相同的THz波在谐振腔中发生谐振,耦合到波导中输出。无光激发时,位于线缺陷光子带隙内的1.65 THz缺陷模频率在谐振腔中发生谐振,从波导的另一端输出,调制器处于“通”状态。当中心波长为810 nm、光密度为0.4μJ/cm²的抽运光激发时,砷化镓的折射率由3.55变为3.55-i2.55,使缺陷模频移,在亚纳秒超快时间内实现对1.65 THz入射波的传输阻断。结果表明,该调制器的调制速率为2.3 GHz,消光比为20.3 dB,插入损耗为0.18 dB,具有调制速率高、消光比大、插入损耗小等优点,为其在高速THz波通信系统中的应用提供重要的理论依据。     

太赫兹多波段的电磁诱导透明设计与分析

设计了一种超材料三维模型,由闭合方环和4个开口谐振方环通过正、反向双开口方环与闭合方环相互耦合来组成,在太赫兹范围内具有多波段电磁诱导透明(EIT)效应。该结构分别实现了在1.21、1.46、1.61、1.98 THz这四波段的电磁诱导透明现象,并且谐振强度均达到0.9左右。通过将结构单元进行拆分并相互对比分析,研究了该超材料结构产生多波段EIT效应的物理机理,并重点分析了开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。通过对三维立体结构仿真分析可知,所设计的超材料不仅在多个波段获得了较高的折射率灵敏度,还具有高强度、多频点的慢光效应。因此,其在折射率传感与光缓存器件等领域,具有良好的应用前景。     

基于太赫兹亚波长超材料的偏振不敏感调制器的理论研究

对太赫兹波超材料调制器的偏振响应进行了研究.提出并计算仿真了两种特殊结构的调制器,包括中心十字结构和双开口环结构.传统的开口环结构的调制器是偏振敏感的,而所研究的两种结构都是偏振不敏感的.中心十字结构是一个完全对称的金属结构,并具有完美的偏振不敏感特性.对于双开口环结构,它没有达到完全的偏振不敏感,但从太赫兹偏振透射率曲线来看,这种差别可以忽略不计.此外还模拟了双开口环的表面电流分布,并提出了产生两个谐振吸收波谷的主要机制.     

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％.     

Microstrip ring resonator using quarter-wave couplers

A microstrip ring resonator that uses quarter-wave coupled lines for input and output coupling is presented. The ring exhibits a double resonance due to an asymmetry in the topology of the structure. When the asymmetry is removed a single resonant peak is observed. The insertion loss of the ring is 6 dB and its quality factor is 64     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时,折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析,并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体（5 l/mm2）实现芯片式的折射率传感,具有较高的传感灵敏度,在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。     

Ultrafast Relaxation of Charge Carriers Induced Switching in Terahertz Metamaterials

We demonstrate ultrafast switching of resonant mode in terahertz metamaterials through optical excitation of radiation-damaged silicon placed in the gap of a split-ring resonator. Upon optical excitation, we observe the dynamic transition of the fundamental resonance from ON-to-OFF state on a timescale of 4 picoseconds (ps) and then fast recovery of the resonance to the ON-state within the next 20 ps. Electric field distributions in the metamaterial unit cell derived through numerical simulations clearly support our experimental observations, showing that the high electric field at the resonator gaps, responsible for inductive-capacitive (LC) resonance, completely disappears and switches OFF the resonance after being optically excited. The ultrafast switching of the metamaterial resonance is attributed to the relaxation of the photo-carriers through the defect states of radiation-damaged silicon layer. Such ultrafast material–based active control of metamaterials can lead to the ultrafast terahertz metaphotonic devices.     

Investigation of the antenna characteristics with the impact of hexagonal metamaterial

Antenna miniaturization is a typical trend in contemporary wireless systems, notably for current wireless technology, to meet multiband needs while preserving high transmission qualities. The terahertz (THz) regime is helpful in advanced applications and significantly impacts wireless technology. This paper proposes a double-layered hexagonal split ring resonator (HSRR) based on a microstrip patch antenna (MPA) and analyzes the simulated characteristics. The HSRR width is varied for different thickness “w” values and compares the analysis of with and without HSRR in the antenna. Due to the impact of metamaterials, the optimized antenna produces −44.02-dB return loss, 1.012 voltage standing wave ratio (VSWR), 6.47-dBi gain, and 4.78-dB directivity at 1.8-THz frequency. This proposed antenna is suitable for THz applications, which include high-speed data rate in wireless communication, bio-medical field, and THz spectrometer.     

基于CSRR-QMSIW谐振器的双通带滤波器的设计

为满足滤波器在双频带通信系统中发展的要求,提出了一种基于1/4模基片集成波导(QMSIW)加载互补开口谐振环(CSRR)的新型双通带滤波器。根据CSRR谐振器的传输特性,实现以其谐振频点为中心的第一个通带;设计QMSIW谐振腔的边长,实现以该腔体谐振频点为中心的第二通带;设计QMSIW腔体间的耦合方式,在两通带之间和高阻带处各引入一个传输零点,加强两通带隔离度和带外抑制。设计了一款两通带的中心频率分别为8.1 GHz和11.5 GHz,且有效尺寸仅为15 mm×8 mm,插入损耗低于0.4 dB,高阻带衰减达64 dB,两通带隔离度达46 dB。     

基于双模开环谐振器的双频带滤波器设计

基于开环双模谐振器设计了一种双频带通滤波器,由两个中心重合的正方形开口环谐振器组成。分析该谐振器的奇偶模谐振频率与传输零点,每个通带内有两个谐振模式。该滤波器中心频率分别为4.5 GHz和6.5 GHz,3 dB相对带宽FBW分别为11%、5%,两通带带内插入损耗分别小于0.6 dB、1.4 dB,带内回波损耗分别优于19.5 dB、16.5 dB,高频处阻带抑制达到50 dB,两通带之间隔离度达到53 dB,尺寸仅为6 mm×11 mm×1.09 mm。     

Josephson Plasmon Resonance in Tl2Ba2CaCu2O8 High-Temperature Superconductor Tunable Terahertz Metamaterials

The Josephson plasmon resonance (JPR) offers a valuable probe to investigate the superconductivity in layered cuprate superconductors. However, the coupling between free space radiation and JPR in high-temperature superconductor (HTS) film remains challenging because the excitation of JPR demands the c-axis oriented electric field. The subwavelength resonators in metamaterials can enhance the localized electric field, which can be utilized to resolve this difficulty. Here, a tunable terahertz (THz) metamaterial made from Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ (Tl-2212) HTS film is developed. The spectral response of Tl-2212 metamaterial has a tunable property at temperatures up to 90 K. The resonant excitation of Josephson plasmon in the metamaterial is observed. Simulation results indicate that the scattering of subwavelength resonators can provide the component of the z-axis electric field for the resonant excitation. The coupling between JPR and resonance modes of metamaterials is observed and explained using coupled mode theory. The temperature dependence of JPR frequency shows accordance with the experimental results of the pure film. This work provides an avenue to excite the JPR and probe superconducting condensate in the layered superconductor. The development of Josephson plasmonic metamaterials may contribute to tunable and nonlinear THz devices.