动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

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。     

多功能动态波束调控的太赫兹编码超表面

太赫兹编码超表面对于在复杂信道环境中实现大容量高速通信具有巨大潜力,对发展6G无线通信技术具有重要研究价值.针对目前太赫兹频段的动态超表面调控器件普遍存在的问题,基于高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)电控调节编码单元与太赫兹波互作用引起的非对称谐振,在低开...     

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。     

140 GHz高速无线通信技术研究

太赫兹频段的宽带特性使得其在高速无线通信领域存在巨大的应用潜力,当前太赫兹通信存在的主要问题是辐射功率低、大气衰减严重及调制解调困难。该文在提出了基于肖特基二极管次谐波混频技术+16 QAM高速数字调制解调技术的太赫兹波超高速信息传输系统实现方案,该方案提高了太赫兹通信的频谱效率。并在国内首次实现了140 GHz无线通信实验系统,以实验方法验证了太赫兹信道的幅相失真特性完全满足高阶数字信号的传输要求。该系统在0.5 m距离上实现了10 Gbps无线传输实验和高清视频传输,辐射功率-3 dBm,系统误码率小于1e-6。     

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。     

从远场到近场：太赫兹超表面波前调控

太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。     

太赫兹波通信技术研究现状及展望

太赫兹波是介于微波与光波之间的尚未被完全开发利用的频段,基于太赫兹波的通信技术将是下一代通信技术的重点发展方向,并具有广阔的应用前景。首先介绍了太赫兹波通信的基本特性、太赫兹波通信系统的架构组成、以及太赫兹波通信的关键技术,然后对国内外太赫兹波通信的辐射源技术、信号调制技术、信号探测技术以及通信系统的研究进展情况进行了重点阐述,最后对太赫兹通信技术研发过程中面,l盏的困难进行了分析,并对未来太赫兹波通信技术的应用进行了展望。     

基于散射特性的太赫兹信道建模

太赫兹(Terahertz, THz)通信是6G的关键技术之一。由于太赫兹技术具有大带宽和超高速率的特点,越来越受到关注。为支持太赫兹无线通信设备的性能评估,建立能够表征信道特性的无线信道模型至关重要。提出了一种基于散射特性的太赫兹信道模型,在室内场景中使用该信道模型生成信道系数和功率时延谱。分析结果表明,提出的信道模型能较好地表征太赫兹散射特性,能够支持太赫兹通信系统的设计与评估。     

基于二氧化钒超材料的太赫兹波相位动态调控

基于二氧化钒,提出了一种可以动态调控太赫兹波相位的复合超材料结构。仿真模拟结果表明：当二氧化钒由绝缘态相变为金属态时,结构可以在1.15～1.65 THz带宽范围内实现超过140°的相移。通过引入多极子散射功率的计算,结合谐振中心频率处的电场和表面电流分布,深入研究了相移产生的物理机制。所提出的结构具有应用于太赫兹无线通信、传感以及太赫兹安检成像等领域的潜力。     

太赫兹频段星地通信信道建模与仿真

太赫兹频段作为至今尚未被完全开发的超高通信频段,具有超大带宽等优点,将其应用于第五代（the 5th Generation,5G）、后五代（Beyond 5G,B5G）移动通信系统,除实现更高速率传输外,还可实现地面移动网络与卫星网络频谱资源的共享,有利于推动新一代空天地一体化通信网络建设.文章提出了一种适用于星地通信系统的太赫兹信道建模与仿真方法,分析了自由空间损耗、分子吸收损耗、云雾衰减、雨衰减及多普勒频移等太赫兹信道的影响因素,构建了星地太赫兹通信信道建模流程,并给出了分步骤信道参数的生成方法.通过数值仿真,对不同天气状况下传输距离和频率对传输信号的影响进行了分析,并基于所生成的信道响应对误码率进行评估,从而验证了所提出模型和方法的可用性.所提建模方法能够提供不同传输条件下的动态太赫兹信道响应数据,从而为今后太赫兹频段无线通信系统的设计与开发提供评估与测试依据.     

基于五维超混沌的太赫兹调制跳变性能分析

针对太赫兹通信信号容易被截获的问题,提出了一种基于五维超混沌系统的太赫兹调制跳变方法。根据信道的实时变化,采用改进的信噪比估计算法选择调制类,再通过五维超混沌系统产生的跳变图案随机地选择一种具体的调制方式。仿真结果表明,所提算法对信道的实时预测能力更为准确,在一定的计算复杂度下,相比于传统的混沌序列,其系统性能更好,具有更优的抗截获性能。     

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。     

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。     

面向复杂太赫兹信道的智能调制系统设计

太赫兹通信是未来高速无线通信极具潜能的技术,受到广泛关注。在本文中,提出基于简单、稀疏空域调制的太赫兹通信系统,探索了由硬件缺陷导致的信号失真对系统性能的影响,并结合收发端失真相关性,进行了系统噪声建模,得到了发端噪声、背景噪声和收端噪声的联合模型。在此多维度噪声背景下,依据后验概率最大化准则,本文推导了太赫兹空间调制系统极大似然信号检测算法。此外,考虑到未来太赫兹通信在多域多维度通信的应用场景,传统检测算法匹配度差且复杂,本文提出了利用具有简单结构的极端学习机来实现太赫兹空间调制系统的低复杂度智能算法。仿真结果表明,本文所提出的极大似然检测算法的性能优于传统的极大似然算法,另外本文中所提出的基于极端学习机的接收机方案,其性能接近最优检测方案,并且明显优于基于深度学习网络和支持向量机的方案。      

太赫兹通信系统的研究现状与应用展望

随着无线通信技术的发展,对无线通信速率和频率的要求逐年提高。现有无线通信频段已趋于饱和,而太赫兹频段是一个全新的空间。本文按照产生方式分类对近年国内外太赫兹通信研究最新进展进行了综述,并给出未来太赫兹通信系统在光载无线通信、空间领域、军事领域上的可能应用方向。     

基于级联马赫-曾德尔调制器的太赫兹通信系统

为了有效解决太赫兹通信系统中信号难以调制,影响通信系统性能的问题,提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器的太赫兹通信系统。将要传递的伪随机不归零码与频率为10GHz的射频本振信号混频后调制到级联马赫-曾德尔调制器上,通过调节两个调制器的偏置电压,使其分别偏置在最大传输点和最小传输点上,得到的光载波信号经过光放大器放大,结合高非线性光纤的四波混频效应,利用相移布喇格光栅进行模式选择,经过光电转换后的太赫兹信号通过基带数据恢复,可以得出该太赫兹通信系统传输的误比特率。结果表明,基于级联马赫-曾德尔调制器结构可以将太赫兹信号的产生与调制结合到一起。该研究对太赫兹通信系统的实用化有一定借鉴意义。     

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.     

可调谐太赫兹超材料吸波器研究进展

太赫兹超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻等优点,已被广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、通信传感等方面。但是,基于金属结构的传统太赫兹超材料吸波器一旦完成加工后,它的吸收性能是固定不变的。为解决这一问题,研究人员通过引入活性超材料设计了可调谐太赫兹超材料吸波器。结合可调谐太赫兹超材料吸波器的国内外研究现状,分类阐述了几类典型的可调谐太赫兹超材料吸波器,重点对单频带、多频带、宽频带以及可切换双功能太赫兹超材料吸波器的相关研究工作进行了梳理与总结,并对其未来发展趋势进行了分析。     

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.