基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制（英文）

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收.采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9—22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz.理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度.研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.     

石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹波透射行为

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹超材料,分别研究了互补层间距、石墨烯费米能级、互补层数对太赫兹波透射谱的影响.模拟结果表明:互补层之间的强烈耦合作用使得太赫兹波的透射得到显著增强;在间距较小时,共振频率随着间距增大而发生蓝移;在间距较大时,共振频率随着间距增大而发生红移,并且透射峰值强度大幅减弱;透射峰频率随着石墨烯费米能级减小而单调减小;增加耦合的互补层数,可使得透射频宽变宽.所设计结构可作为可调控的太赫兹带通滤波器使用.     

图案化石墨烯/氮化镓复合超表面对太赫兹波在狄拉克点的动态多维调制

提出一种基于图案化石墨烯/氮化镓肖特基二极管与类电磁诱导透明超表面集成的新型太赫兹调制器.通过施加连续激光或偏置电压改变异质结肖特基势垒,进而致使石墨烯的费米能级在价带、狄拉克点与导带之间移动,使得异质结的电导率发生变化.在太赫兹时域光谱上表现出透射振幅的增减变化,并观察到在狄拉克点上的调制行为.因费米能级接近狄拉克点,对外加光电激励非常敏感,施加4.9—162.4 m W/cm~2的光功率或者0.5—7.0 V的偏压,调制深度先增加后减小,相位差线性增加,其中最大调制深度达90%,最大相位差为189°,该器件实现了太赫兹波的超灵敏多维动态调制.总之,该图案化石墨烯/氮化镓复合超表面调制器在超灵敏光学设备中存在潜在的应用价值.     

玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性

针对二氧化钒（VO2）薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用, 采用磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备了VO2薄膜, 并用X射线衍射（XRD）对薄膜的晶相进行表征。利用配备加热装置的太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）研究了薄膜样品在变温过程中的THz反射、透射光谱特性及其变化规律。实验结果表明, 随着加热温度的升高, VO2薄膜发生半导体-金属相变并对宽频段THz波产生显著的调制作用。调制深度明显依赖于THz频率, 薄膜样品对THz波反射功率、透射率的幅度调制深度在0.3~0.5 THz范围波动较大;对THz波的透射率在低频处较大, 高频处较小, 调制深度在35%~65%之间变化。该薄膜制备简单, 质量高, 可应用于太赫兹开关和调制器等功能器件。     

玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性

针对二氧化钒（VO2）薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用, 采用磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备了VO2薄膜, 并用X射线衍射（XRD）对薄膜的晶相进行表征。利用配备加热装置的太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）研究了薄膜样品在变温过程中的THz反射、透射光谱特性及其变化规律。实验结果表明, 随着加热温度的升高, VO2薄膜发生半导体-金属相变并对宽频段THz波产生显著的调制作用。调制深度明显依赖于THz频率, 薄膜样品对THz波反射功率、透射率的幅度调制深度在0.3~0.5 THz范围波动较大;对THz波的透射率在低频处较大, 高频处较小, 调制深度在35%~65%之间变化。该薄膜制备简单, 质量高, 可应用于太赫兹开关和调制器等功能器件。     

二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究

针对二氧化钒(VO2)薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用,利用低温磁控溅射技术,在太赫兹和光学频段透明的BK7玻璃上制备出高质量的VO2薄膜.晶体结构和微观形貌分析显示薄膜为单相VO2单斜金红石结构,具有明显的(011)晶面择优取向,结构致密,表面平整.利用四探针技术和太赫兹时域光谱系统分析了薄膜的绝缘体-金属相变特性,发现相变过程中薄膜电阻率变化达到4个数量级,同时对太赫兹透射强度具有强烈的调制作用,调制深度高达89％.通过电学相变和太赫兹光学相变特性的对比研究,证实薄膜的电阻率突变主要与逾渗通路的形成有关,而太赫兹幅度的调制则来源于薄膜中载流子浓度的变化.该薄膜制备简单,成膜质量高,太赫兹调制性能优异,可应用于太赫兹开关和调制器等集成式太赫兹功能器件.     

多功能太赫兹超表面偏振控制器

本文提出了一种“金属栅-开口环/硅环-金属栅”结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90°旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60°范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.     

光子晶体对太赫兹波的调制特性研究

利用传输矩阵方法研究了掺杂半导体n-GaAs/聚碳酸脂一维光子晶体的太赫兹波透射谱.研究结果发现,与一般由两种介电材料组成的一维光子晶体不同,由于掺杂半导体中自由载流子对太赫兹波存在较强的吸收,所以这种材料组成的一维光子晶体除可形成光子带隙外,还可以增强n-GaAs对太赫兹波的透射.同时还提出了一种基于这种一维光子晶体的太赫兹波调制器,通过外加电压控制半导体中电子浓度的大小可实现对太赫兹透射波幅度的调制. 关键词： 掺杂半导体光子晶体 太赫兹波 太赫兹波的调制     

PtSe2薄膜的时间分辨太赫兹光谱特性研究(特邀)

基于时间分辨太赫兹光谱技术,研究了不同厚度的二硒化铂(PtSe_2)薄膜在太赫兹波段的光学特性。实验结果表明,当泵浦光功率从0增强至2 540μJ/cm2时,11 nm-PtSe_2薄膜的电导率逐渐增大,透射太赫兹信号强度减小;而197 nm-PtSe_2薄膜的电导率逐渐减小,透射太赫兹信号强度增大。由此构造的光控太赫兹调制器件的调制速度约为14 ps,工作带宽为0.2～1.8 THz,调制深度为15%～35%。研究证明PtSe_2薄膜材料在高速光控太赫兹器件领域具有应用潜力。     

石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展

石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料,近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述,分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果,着重对不同器件的调制性能进行了对比,分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。     

超大长宽比U型开口谐振器的太赫兹调控特性

近年来,金属亚波长结构由于在负折射材料方面存在巨大应用价值,及可作为太赫兹波段的光学限制器等器件应用,引起了研究者们的广泛关注。本文采用电子束曝光离子束刻蚀的方法在金膜上制备了亚波长的超大长宽比U型开口矩形谐振器阵列结构,利用时域有限差分方法(FDTD)和太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对U型阵列结构的太赫兹波透射光谱响应进行了测量和分析,讨论了透过率对结构几何参数的依赖特性和异常透射的物理机制。通过这种U型开口谐振器能够实现太赫兹波的强局域和场增强,可将太赫兹波局域在波长千分之一的尺寸上,从而实现了太赫兹的异常透射现象,这种超大长宽比的U型开口谐振器可在太赫兹探测、太赫兹成像及其他光学器件的设计上得以应用。     

基于液晶光子晶体的太赫兹波调制器

太赫兹波调制器是太赫兹波通信系统中关键的一环,同时,可调谐光子晶体作为一种新兴材料,被广泛地用于制作光通信系统中的调制器、光开关和滤波器等功能器件。光子晶体技术和太赫兹波技术相结合为设计太赫兹波调制器提供了新的思路。提出了一种基于二维硅光子晶体的新型太赫兹波调制器。该光子晶体采用点、线缺陷组合的结构,通过在点缺陷处填充5CB液晶,使其成为可调谐光子晶体。当在点缺陷处外加电场时,此太赫兹光子晶体的缺陷态频率发生动态迁移。基于这种机制,此器件可对太赫兹波的通、断状态进行调制。仿真结果表明,调制器的调制深度大于30dB,调制速率为10kHz,具有体积小巧、易于集成的优点。     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关（英文）

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm~2的光泵浦后,传输谱(调制深度为36.8%,Q-因子为250)出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。     

基于石墨烯超材料深度可调的调制器

目前人们已经实现了很高的调制深度,但是缺少对如何实现调制深度可调的研究,不利于实现波整形。利用石墨烯的电调谐性以及石墨烯超材料的表面等离激元(SPP)共振特性,设计了一种能够在某一频率实现调制深度可调的调制器,且调制深度为极大值,便于取样及检测,并运用谐振子模型对透射规律进行了理论分析。基于三维电磁场仿真软件时域求解器仿真,得到了对应频率为11.85THz的一系列的调制深度,其中最大调制深度可达到96%以上。这一系列的调制深度可以通过电压调节石墨烯的费米能级来进行调制转换,将极大地促进调制器在波整形中的应用,如生成正弦波、三角波及方波等。此外,这种结构可以实现类电磁感应透明(EIT)现象,不仅能够实现透射峰的频移和展宽,而且可以使展宽前后的中心频率保持一致。     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm²的光泵浦后,传输谱（调制深度为36.8%,Q-因子为250）出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。     

硅基全光宽带太赫兹幅度调制器的研究

提出了一种基于掺金硅的全光学宽带太赫兹波幅度调制器, 研究了金(Au)点阵掺杂后硅(Si)体内的少数载流子寿命及其太赫兹波调制特性. 实验结果表明, 掺杂的Au原子为Si中的光生电子- 空穴对提供了有效复合中心, 使其少数载流子寿命由原来十几微秒降低至110 ns左右. 利用波长915 nm 调制激光作为抽运光源, 在340 GHz载波的动态调制测试中获得4.3 MHz的调制速率和21%的调制深度, 使Si基调制器的调制速率提高了两个数量级. 该全光太赫兹调制器可工作在整个太赫兹频段内, 具有极化不敏感特性, 因而在太赫兹波高速和宽带调控方面具有重要的应用价值, 也是构建光控型Si 基太赫兹功能器件的重要基础.     

基于电控棱镜结构太赫兹波开关

提出基于棱镜-空气-石墨烯-石英-硅结构,通过外加电场改变石墨烯的介电常数,引起太赫兹波反射率的变化,并利用等离子体共振机理对反射太赫兹波强度控制以实现太赫兹波开关功能.研究了空气隙对太赫兹波反射率的影响,结果表明:当空气隙为20μm时,太赫兹波反射率最小值为68.79%,当空气隙为56μm时,太赫兹波反射率最小值降至0.04%,此时的空气隙达到最佳值.分析确定了石墨烯化学势对太赫兹波反射率的影响,结果表明:当石墨烯化学势从0eV增加到0.2eV,太赫兹波的反射率从零增加到95.89%,从零反射变成全反射,表明该结构具有优异的反射太赫兹波强度控制性能,开关的消光比达到33dB.