基于石墨烯的光控太赫兹调制器

研究了锗基单层石墨烯结构宽带光控太赫兹调制器。利用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统,实验证明了在1 550 nm飞秒光泵浦下,该太赫兹调制器工作带宽为0.2~1.5 THz。当泵浦光功率从0增加到250 mW时,该太赫兹波调制器的平均透过率从40%下降到22%,平均吸收系数从19 cm-1增加到44 cm-1,在0.2~0.7 THz,调制深度均高于50%,最大调制深度为62%（0.38 THz）。实验结果表明,相比于纯锗基太赫兹调制器,单层石墨烯的引入能增强对太赫兹波的调制效果。     

硅基金字塔结构光控太赫兹调制器

提出一种硅基金字塔结构光控太赫兹波调制器。通过化学刻蚀方法在高阻硅基底形成微米级的金字塔结构,研究该结构与高阻硅片对激光的反射率及对太赫兹的调制情况。实验表明,金字塔结构可有效降低激光反射率,提升激光利用率,并且通过增加太赫兹波调制面积,达到显著增强太赫兹波的调制效果,其调制深度达到90%以上。该硅基金字塔结构光控调制器可在极低的激光功率下工作,具有宽带、大幅度调制的特点,在太赫兹成像领域具有重要应用价值。     

基于表面钝化效应的砷化镓基太赫兹调制器性能

研究了表面化学硫硒钝化技术对砷化镓基光控太赫兹调制器件性能的增强效应和机制。实验表明,硫硒钝化能有效地去除砷化镓表面氧化物,减少表面复合中心,从而改善砷化镓的表面状态。钝化后,光致发光(PL)强度显著增强,是参考砷化镓基底的6倍。同时,钝化效应可以显著提升砷化镓中少数载流子的寿命,可达2.2 ns。表面钝化效应可以显著提高砷化镓基太赫兹调制器的调制性能,在3 mW激光功率下测得调制深度为41%,调制速率为88.81 MHz。该光控太赫兹调制器在低功率下具有高调制深度和调制速率,在太赫兹通信领域有巨大的应用潜力。     

硅表面太赫兹抗反射亚波长结构设计

亚波长结构是特征尺寸小于工作波长的连续阵列浮雕结构,可看成是一层折射率均匀的介质层,仅存在零级的透射和反射衍射。基于等效介质理论和严格耦合波理论介绍了亚波长抗反射结构。为提高111μm波长太赫兹辐射(2.7THz)的透过率,在硅表面设计了亚波长抗反射结构。该结构的透射率和反射率由其浮雕结构的周期、高度和占空比确定。利用等效介质理论和严格耦合波理论对其结构参数进行了优化设计。当周期为27μm、高度为13μm、占空比为0.75时,得到了99.05%的太赫兹辐射透过率。     

温度对太赫兹亚波长金属结构共振特性的影响

利用太赫兹时域光谱系统研究温度对GaAs基底上生长的太赫兹亚波长金属结构的透过率及共振特性的影响。实验发现,温度从低温80 K升高至380 K,样品的透过率逐渐降低,且低频共振频率处有轻微的红移现象。通过研究共振带区域及远离共振带区域的透过率情况,分析了总体透过率降低的根本原因在于温度升高导致GaAs基底的本征载流子浓度升高;共振凹陷减弱是由于基底载流子的变化致使透过率升高形成的;红移现象的产生是由于温度升高导致样品折射率增大。此外,该研究可以为太赫兹范围的功能器件在实际应用和生产制造中提供有意义的参考。     

光控光子晶体太赫兹波调制器消光比的研究

光控太赫兹波调制器在未来的THz通信中具有重要作用,消光比是太赫兹波调制器的主要性能指标,文中研究了基于二维正方晶格光子晶体太赫兹波调制器晶格变化对调制器消光比的影响,选取光子晶体介质柱的半径作为结构参量,利用基于FDTD的Rsoft软件进行仿真计算,结果表明,将谐振腔正上方介质柱的半径缩小一定数量时,可以提高调制器的消光比。     

半导体基全光太赫兹空间调制器研究进展

太赫兹（THz）技术在下一代移动通信技术、雷达成像技术、物质波谱识别、大气遥感和射电天文学等领域有着广泛的应用前景,其中,能够主动调控太赫兹波幅度、相位和频率等特性的调控器件已成为影响太赫兹技术实际应用的关键器件之一。空间光太赫兹调制器（STM）作为一种典型的空间型波前调控器件,在波束偏转、波束扫描、特殊波束赋形,甚至相控阵技术等方面有着重要的应用。总结、分析和归纳了近年来电控STM和光控STM的主要研究进展,重点介绍了实现技术更简单、工艺成本更低的半导体基全光STM。详细总结了这种全光STM的调制机制和计算模型,系统总结了基于全光STM实现的太赫兹功能器件以及在太赫兹成像技术中的最新研究进展,讨论了全光STM存在的局限,并针对改善调制效率、降低器件插入损耗、提高激光利用率等方面提出多种新型器件结构。最后,对全光STM未来的发展趋势进行了展望。     

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VO2相变的光控太赫兹调制器

基于VO2薄膜相变特性,通过在石英基底上制备VO2薄膜和亚波长金孔阵列,并在理论和实验上研究了金属孔阵列与VO2薄膜置于基底同侧和异侧的两种太赫兹(THz)调制器。系统研究了在光泵浦条件下两种样品的THz波的传输特性。结果表明,随着泵浦光功率的改变,两种结构的器件均可以实现对THz波强度的调制。对比分析两种结构器件的THz透射谱发现,紧邻金属孔阵列的金属相VO2能够有效地抑制THz表面等离子体的局域透射增强效应,使调制器的调制深度得到显著增强,这对基于相变材料调制器的设计具有重要意义。     

基于非对称量子阱的太赫兹波调制器

主要研究了一个特殊的GaAs/AlGaAs非对称量子阱中的线性和三阶非线性太赫兹波吸收系数和介质折射率的相对改变。首先利用量子力学中的密度矩阵算符理论和迭代方法导出了线性和三阶非线性光吸收系数和相对折射率改变的表达式,然后以典型的阶梯型量子阱材料为例做了数值计算。计算表明,基于泵浦光场和偏置电压控制的太赫兹波调制器不仅可以做太赫兹波开关,还可以灵活地调制太赫兹波信号的强度和相位,方便实用。     

基于银/碳纳米颗粒近红外驱动的大调制深度太赫兹调制器

近红外光驱动的太赫兹调制器是太赫兹/红外光纤混合通信系统中的重要组成部分。这里提出了一种基于银纳米颗粒/碳量子点（Ag NPs/CDs）近红外驱动的太赫兹调制器。实验结果表明，银纳米颗粒（Ag NPs）与碳量子点（CDs）的结合会引起纳米颗粒的量子尺寸效应和介电限域效应，利用Ag NPs/CDs可以增强硅基底对近红外光的吸收，从而实现近红外驱动的太赫兹波调制。通过808 nm的近红外调制激励源，对样品进行了0.22～0.33 THz范围内的太赫兹透射特性的表征，与参考硅基片相比，Ag NPs/CDs近红外太赫兹调制器的调制深度可以达到83%左右，显著高于参考硅基片的调制深度（～54%），实现了大调制深度的太赫兹波调制。本研究工作在太赫兹/红外光纤混合通信系统中拥有重要的应用价值。     

基于硅基等离子超表面的可调太赫兹调制器

由于硅对太赫兹的调制效果较差,所以从理论上和实验上研究了基于硅基等离子诱导透明(PIT)超表面的太赫兹调制器。研究结果发现在透射光谱中可以观察到明显的透明窗口,该透明窗口是由2个谐振器之间的近场耦合引起的。实验结果表明,随着泵浦光功率的增加,透明窗口出现了蓝移。当光泵功率从0 m W增加到700 m W时,0.70 THz处的振幅调制深度可以达到80.75%,同时研究了它的慢光效应。设计的这种新型的超表面结构增强了硅的调制效果,提供了一种实际应用的可能。     

低损耗太赫兹镀膜金属波导研究

在研究太赫兹波在镀膜二维平板金属波导传输时,损耗减小的机制和条件,发现只有TM 模式在大间隙的金属镀膜波导传播时,其损耗小于不镀膜的金属波导。利用射线光学方法分析波导尺寸、膜厚度以及膜折射率等参数对TM 模式损耗的影响,获得其损耗最低的优化结构参数。用转移矩阵理论对镀介质膜前后平板金属波导的损耗进行理论计算和分析,当介质为聚乙烯且厚度为0.06mm时,波导的损耗最小。所获结论对于太赫兹波导器件及太赫兹波低损耗波导研制具有较大的意义。     

内嵌凹槽的金属亚波长狭缝共振透射特性分析

在亚波长金属狭缝内嵌入凹槽后,狭缝的透射峰发生红移、蓝移,也可能不变。本文利用有限时域差分法,详细讨论了内嵌凹槽深度对狭缝透射光谱的影响。通过与腔共振模式理论对比,我们发现内嵌凹槽的亚波长金属狭缝透射峰变化一方面来自于共振腔长度的增长,另一方面来自于透射峰所对应的共振模式数的增加。透射峰蓝移等变化均为共振模式数改变和共振腔长度增长共同作用的结果。     

双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

金属波导连续光泵气体太赫兹激光器

针对紧凑型光泵气体太赫兹激光器(OPTL)技术,设计并研制了全金属波导结构的气体太赫兹(THz)激光器原理样机.THz激光器工作介质为CH_3OH气体,最佳工作气压30 Pa,在波长9.69μm、连续功率44 W的9P(36)支CO_2激光泵浦下,实验测得在2.52 THz频点输出功率150 m W,光子转换效率为8.4%.研究THz激光输出功率与CH_3OH工作气压、泵浦光功率的关系、以及THz激光输出稳定性,并通过压电陶瓷对THz激光腔长进行精密调节,同时测量输出功率的变化情况,讨论了金属波导THz激光器的纵模特性.实验工作与结果为下一步紧凑型折叠波导腔全金属OPTL的研制提供了参考.     

金属孔阵Ku波段透波增强特性研究

用高稳定的辛时域有限差分算法(SFDTD)对金属周期孔阵在Ku波段的透波增强特性进行了研究.数值计算了金属板厚度、孔的大小、孔中填充不同折射率的介质和孔阵的周期等物理参数对孔阵透射系数的影响.得出的研究结果表明:金属周期孔阵在Ku波段的透射系数随孔的增大而增大,随孔阵周期的增大而减小,填充高折射率的介质有利于其透射.     

复合型金属孔周期阵列的THz透射特性

利用微细加工技术,制作出金属矩形孔阵列,从实验和理论上研究了金属矩形孔阵在THz波段的透射极大值和极小值产生的规律.并利用透射极大值频率随矩形孔长度增大而向低频移动的特性,在同一层金属上,利用不同尺寸的金属孔结构形成复合金属孔阵列,设计出中心频率可调节、频率拓宽的频率选择器件和频率拓宽器件.此研究为太赫兹滤波器等无源器件提供了新的设计思路和加工方法,对太赫兹波技术的发展具有重要意义.     

基于紧凑十字阵列的角度无关的宽带太赫兹带阻滤波器

介绍了一种可以在一些特殊的频率选择表面上激发额外的反对称模式的紧凑阵列设计. 基于这种设计,本文提出了一种角度无关的宽带太赫兹（THz）带阻滤波器. 紧凑十字架阵列由两层十字架金属阵列组成,其中第二层金属十字架的中心与第一层四个金属十字架单元的中心对齐. 数值结果显示紧凑阵列可以激发出一种额外的谐振模式. 与传统的周期设计相比,基于紧凑阵列的滤波器在带宽、通带平坦度和阻带衰减均有很大的性能提升. 提出的滤波器具有良好的滤波能力,其在1.2 THz的中心频率处具有0.75 THz的10 dB带宽且在0°~60°的范围内对角度不敏感. 此外,紧凑阵列可以被拓展运用到多种不同的结构,如耶路撒冷十字架结构,I型以及II型等结构.