臂型网格结构增强石墨烯电调制太赫兹透射

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度,提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用,使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响,理论结果表明,臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上,基于光刻工艺完成了器件的结构制作,实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度,且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.     

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。     

基于石墨烯-金属混合结构的可调超材料吸波体设计

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。     

基于石墨烯的D型双芯光纤调制器

利用石墨烯独特的吸收特性以及双芯光纤两芯之间的耦合作用,提出并设计了一种基于石墨烯的D型双芯光纤(DTCF)调制器的结构,该结构结合了吸收调制和耦合调制的优势。仿真验证了结构的调制可行性,基于有限元法数值模拟分析了调制器传输模式、两纤芯半径、纤芯距、石墨烯层数、过渡层材料对调制器性能的影响,并通过性能优化最终实现了调制带宽为8.557GHz、消光比为67.64dB、半波电压为1.763V、调制深度为98.75%、插入损耗为1.4dB、调制器长度为3.07mm的高性能调制器。     

基于石墨烯的高效复合波导调制器研究

提出了一种基于石墨烯的复合波导调制器,用严格的三维数值仿真结果展示了该调制器的工作状态。利用调制器狭缝中的表面等离激元对电磁波的强约束,增强了光与石墨烯间的相互作用,提高了调制器的调制性能,调制效率可达0.197dB·μm~(-1)。在调制器长度为15μm时,可实现调制深度为3dB的开关键控效应,此时的插入损耗为0.4dB,调制带宽可达1.85GHz。设计了与输入波导相连接的耦合器,在耦合器总长度仅为1μm的条件下,实现了86.6%的耦合效率。     

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.     

基于石墨烯表面等离激元的双支节结构光电调制器

构建了一种含双支节结构的石墨烯/介质/石墨烯亚波长波导结构。该结构将支节结构的选频特性和石墨烯的电可调特性相结合,能够实现在可见光到中红外范围内对入射光光强的动态调制。表面等离激元将光能量局限在纳米尺度的介质狭缝中,使调制器突破衍射极限,并且增强了石墨烯与光的相互作用。利用有限元法分析了石墨烯的化学势、支节长度以及介质材料对波导结构输出光强的影响。仿真结果表明:当入射波长为1550nm、支节长度为315nm、化学势由0.80eV下降到0.78eV时,消光比可达到6.77dB。与传统调制器相比,所提光电调制器能够在保证高消光比的同时具有较高的调制效率,并且体积小、结构简单紧凑,可满足大规模集成应用的要求。     

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.     

可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器

设计一种新颖的交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器。利用石墨烯与电介质交界面产生的表面等离子体效应,在中红外波段获得双共振透射现象,结合石墨烯的电可调特性来实现透射谱的动态调制,采用时域有限差分法研究该结构中石墨烯的化学势、层数及几何参数对双共振透射现象的影响。结果表明:通过改变石墨烯的化学势及层数能够实现共振位置的调谐;优化结构参数后,该结构具有较好的传感性能和双共振透射现象,2个共振谷的灵敏度分别高达(1280±24) nm/RIU和(2800±49) nm/RIU,品质因数分别为17.1 RIU~(-1)和12.3 RIU~(-1)。研究结果为石墨烯等离子体生物传感器的设计提供了理论依据。     

用于显示的透射型法布里-珀罗光调制器

提出了一种用于显示的,基于透射型法布里-珀罗干涉的微机电系统(MEMS)光学调制器。基于多光束干涉原理分析了调制器的光学特性,推导出了调制器结构的特征参量。分析表明,当调制器的腔长为cλ/4时,透射光可以实现暗态显示;当调制器的腔长取为零或cλ/2时,透射光可以实现亮态显示。通过控制法布里-珀罗腔长,就可实现调制器的明暗调制。理论上证明了该调制器用于显示的可行性。设计了一种基于微机电系统的透射型法布里-珀罗光学调制器结构,该调制器的理论衬比度达到150。仿真结果表明,该调制器具有2.4 V的低电压静电驱动性能。     

光温双控太赫兹波调制特性研究

基于多频带金属开口谐振环结构,利用GaAs材料的光敏特性和VO₂薄膜的热致相变特性,设计了一种既能实现光控又能实现温控的太赫兹(Terahertz, THz)波调制器,研究了光强和薄膜温度对 THz波调制特性的影响。结果表明,随着光强的增加,谐振频率均出现蓝移且谐振强度减小,当光强达到0.2 μJ·cm-2时,第二个谐振点(0.52 THz)蓝移了0.14 THz,透射幅度增加达50%;随着VO₂温度增加至相变温度以上,THz波透射幅度急剧减小,在0.63 THz处透射幅度减小达45.5%;当光强和温度同时控制时,随着光强和温度的增加,谐振点频率蓝移且谐振点处的THz波透射幅度增加,但在温度超过相变温度后,则温度控制起主导作用。设计的THz波调制器能通过光控和温控实现对THz波的明显调制效果,可为实现多功能的THz波功能器件的设计及应用提供参考。     

基于液晶空间光调制器的脉冲整形系统校准及应用

搭建了反射式光脉冲整形系统,通过改变加载到液晶空间光调制器各像素点的调制电压,测定系统分辨率及调制电压与输出信号光强和相位变化的关系,并对液晶空间光调制器进行校准.实验结果表明:光强随调制电压周期变化,相位随调制电压非线性变化;系统分辨率为10GHz,像素调制间隔为0.08nm,即能够实现对频率间隔10GHz的光信号的调制.应用该系统,以谱线间隔为10GHz的光学频率梳为信号源,对脉冲频谱进行整形,产生了平坦、高斯型、三角、倒三角及光学频率梳信号.     

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。     

利用电光强度调制器频移特性实现可调延迟

针对光纤通信系统中数据同步处理时对脉冲可调延迟的要求,提出了一种可调延迟器的结构设计方案。对电光强度调制器(EOIM)的光频移特性进行了研究,基于EOIM对各级边带和强度的调制作用,利用EOIM对受激布里渊散射慢光装置中的泵浦光进行强度调节,从而实现延迟量可调。建立了可调延迟的数学模型,通过实验研究分别得出了在一定微波调制功率下EOIM调制深度和直流偏置电压随脉冲延迟量的变化关系。从实验结果中可以看出：在引起失真的主要因素为零的情况下,当直流偏置电压为半波电压的1/2时,脉冲相对群延迟随调制深度的增大逐渐减小;当调制深度为1.39时,脉冲相对群延迟随直流偏置电压的增大逐渐增大,延迟量最大可达到未调制情况下的1.106倍,实现了较大范围的延迟量调节。     

利用电光强度调制器频移特性实现可调延迟

针对光纤通信系统中数据同步处理时对脉冲可调延迟的要求,提出了一种可调延迟器的结构设计方案。对电光强度调制器(EOIM)的光频移特性进行了研究,基于EOIM对各级边带和强度的调制作用,利用EOIM对受激布里渊散射慢光装置中的泵浦光进行强度调节,从而实现延迟量可调。建立了可调延迟的数学模型,通过实验研究分别得出了在一定微波调制功率下EOIM调制深度和直流偏置电压随脉冲延迟量的变化关系。从实验结果中可以看出:在引起失真的主要因素为零的情况下,当直流偏置电压为半波电压的1/2时,脉冲相对群延迟随调制深度的增大逐渐减小;当调制深度为1.39时,脉冲相对群延迟随直流偏置电压的增大逐渐增大,延迟量最大可达到未调制情况下的1.106倍,实现了较大范围的延迟量调节。     

用于获取大调制度的驻波型电光调制器的设计与制作

设计并制作了一种采用微波驻波电极的电光调制器,该调制器被用于光谱展宽。通过非周期极性反转方法,在１６．２５ＧＨｚ的调制频率下实现了微波驻波与光波的相位匹配,从而获得了大调制度。实验中光谱展宽达到２．５ＴＨｚ。     

双弹光拍频调制型Fourier-Bessel变换成像光谱技术研究

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上),调制干涉信号频率更高,普通阵列探测器无法有效采集,提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法,并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行拍频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级,普通CCD可实现探测),通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱,使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。介绍了其原理并推导出光谱反演公式,并通过仿真和实验验证其可行性,分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响,为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550 nm的工作波长下可以实现较为出色的调制性能,其3 dB调制带宽高达250 GHz,调制深度和功耗分别高于0.15 dB/μm和低于11.5 fJ/bit,该调制器可为新一代高性能集成电光调制器的开发提供设计思路.