基于人工微结构阵列的太赫兹准光调制器件研究

论文摘要

进入二十一世纪之后,由于微波和可见光波段的相关研究已日趋成熟,世界各国的科研人员越来越关注技术上尚未成熟的太赫兹频段,其中太赫兹无线通信以及太赫兹成像技术一直是太赫兹技术领域的研究重点。近年来,太赫兹直接调制技术的发展为解决太赫兹无线通信技术和太赫兹成像技术中存在的一系列问题提供了新的研究方向,为实现高效高速的太赫兹无线通信、快速高分辨率的太赫兹成像提供了新的技术途径。而太赫兹准光调制器作为基于外部直接调制技术的太赫兹无线通信系统及太赫兹成像系统中的核心器件,其器件性能的提升对相关太赫兹系统的发展有着至关重要的作用。针对国内外在太赫兹调制技术研究中存在的调制速率和调制效率低等难点问题,本文将具有特殊谐振模式的人工微结构与半导体材料相结合,研究了光控和电控太赫兹准光相位调制技术,实现在不同外加激励的条件下,太赫兹波的大相位调制;研制了高速电控太赫兹准光幅度调制器件,成功实现了室内太赫兹无线高清视频的实时传输;研制了一种亚单元阵列太赫兹多像元波前调制器,实验证实了其多像元调制能力。本论文的研究成果为太赫兹高速无线通信及高分辨率成像技术奠定了良好的基础。本论文的主要研究内容与创新点如下:1、针对太赫兹准光相位调制器在透射模式下单层结构相位调制能力低的难题,提出了一种采用LC-偶极子耦合谐振模式增加相移量的新方法。本文从Kramers-Kronig关系的理论出发,分析了相位色散曲线与幅度色散曲线间的内在联系,发现了增强谐振模式的谐振强度可显著增加相位跳变量的规律,提出了一种具有耦合谐振模式的人工微结构。研究结果表明该耦合谐振模式具有显著的谐振增强效应,可产生140°的相位跳变。提出了将VO2或GaN-HEMT与耦合谐振人工微结构阵列相结合,通过光控或电控实现大相位调制的技术方案。模拟仿真结果表明,两种途径均可实现150°以上的相位调控;实验结果表明,VO2光控相位调制器（中心频点0.6THz）和HEMT电控相位调制器（中心频点0.352THz）的最大相移分别达到了138°和137°,且相移量达到130°以上的带宽分别为55GHz（0.575THz-0.63THz）和30GHz（0.337THz-0.367 THz）。该方法相比国际上同类器件90°的最大相移量提高了40°以上。2、提出了一种嵌合HEMT阵列的错位式网状复合超表面结构,有效抑制了人工微结构阵列中的寄生模式,实现了太赫兹波幅度调制的高效率和高速率。模拟研究表明,该新型超表面结构在电磁场的诱导下产生特殊的谐振态,通过改变2DEG中载流子的输运特性控制不同谐振态间的动态转换,且可有效抑制寄生模式。静态调制实验在中心频点0.352THz处获得的调制深度为93%,与仿真得到的94%调制深度基本一致;动态调制实验中该调制器的开关速率为3GHz,相比国际上同类器件的最高调制速率1GHz,器件性能得到显著提高,且-3dB最大带宽由200MHz提高到了1GHz。利用该调制器构建了基于外调制的单载波太赫兹无线通信系统,在室内9m的距离上,实现了通信速率为100Mbps的高清视频实时传输,传输的画质清晰,声音完整,且画面没有明显延时,进一步验证了该准光调制器的性能与可靠性。3、为解决高速率情况下空间准光太赫兹调制器阻抗失配问题,提出了一种适合于矩形波导的电控HEMT微结构调制器方案。该方案将调制芯片中HEMT的数量由上千个缩减为5个,极大地改善了芯片内部电路与外部电路间阻抗失配问题。模拟仿真结果表明,HEMT人工微结构阵列中谐振模式的转换对波导中的太赫兹波传输特性具有良好的控制作用,调制深度可达18dB;静态实验中该器件在中心频点0.353THz处的调制深度达13.5dB,接近仿真结果;动态实验中获得的调制速率可达8GHz以上,-3dB带宽达到5GHz以上,展现出比空间准光太赫兹调制器更优异的调制性能。该方案不仅可以提高调制深度及调制速率,还可实现系统的集成化和小型化。4、针对基于压缩传感算法的太赫兹单像素成像的硬件需求,本文研制了一款工作在0.22THz的太赫兹多像元波前调制器。该器件拥有4×4亚单元阵列结构,每个亚单元结构构成调制器的一个像元。通过外部FPGA控制模块可分别控制16个像元的导通与关断。实验结果证实了该调制器对太赫兹波具有良好的开关作用以及显著的多像元调制能力。为了进一步提高器件性能,分析了像元间产生串扰的原因以及改进方法,为该太赫兹多像元波前调制器的进一步优化以及在成像系统中的实际应用奠定了良好的基础。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵运成

导师: 杨梓强

关键词: 太赫兹,人工微结构,准光相位调制,准光幅度调制,波前调制

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.4;TN761

DOI: 10.27005/d.cnki.gdzku.2019.000051

总页数: 139

文件大小: 15764K

下载量: 308

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