工作于太赫兹通信窗口的宽带超材料非对称传输器研究

The asymmetric transmission of metamaterials provides a new way for controlling terahertz waves. However, the bandwidth is usually very narrow, and the magnitude is low in recent studies, which can’t meet the needs of broadband terahertz communication. Therefore, this project is aimed to realize terahertz broadband asymmetric transmission based on metamaterials by using theoretical analysis, three-dimensional simulation and measurement. In terms of theoretical research, the physical mechanism of the broadband asymmetric transmission will be deeply analyzed and the asymmetric transmission characteristics will be investigated from the view of eigen modes. For the structural design, firstly, the broadband asymmetric transmission are studied based on low loss and nondeformable dielectric and periodic metal structures; Then, all-dielectric broadband asymmetric transmission structures are designed and explored base on all-dielectric metamaterial. Finally, multiband asymmetric transmission structures will be designed to meet the needs of terahertz multiband communication. This project will have important theoretical values and practical applications in controlling terahertz waves.

基于超材料的非对称传输器为太赫兹波的调控提供了新途径。然而，在现有研究成果中，太赫兹非对称传输器的频带窄，转换幅度低，无法满足太赫兹波段宽带通信的需求。为此，本项目拟采用理论分析，三维仿真模拟与实验研究相结合的方法，研制工作于太赫兹通信窗口的宽带超材料非对称传输器。在理论研究方面，深入分析太赫兹宽带非对称传输的物理机理，从本征模角度解释其非对称传输现象。在结构设计方面，首先，利用低损耗，不易变形的介质构造周期金属图形组合的宽带非对称传输器；然后，基于全介质超材料设计并探讨实现全介质非对称传输器的可行性；最后，为提高器件的利用价值，设计多波段宽带非对称传输器，使其能在两个或两个以上频段同时满足太赫兹通信窗口需求。本项目的实施将具有重要的理论价值和实际应用价值。

基于超材料的非对称传输器为太赫兹波的调控提供了新途径。.1）在现有研究成果中，太赫兹非对称传输器的频带窄，转换幅度低，无法满足太赫兹波段宽带通信的需求。本项目采用理论分析，三维仿真模拟与实验研究相结合的方法，首先研制了1种超宽带和4种工作于单频带太赫兹通信窗口的宽带超材料非对称传输器，实验测试和仿真模拟基本一致。测试得到超宽带非对称传输器在0.55-0.82THz范围，x线极化波转换成y线极化波的正向转换幅度Tyx均大于0.6，并在0.62THz达到最大转换幅度0.714。而y线极化波转换成x极化波的反向转换幅度Txy小于0.2。对于单频宽带结构，测试得到工作频率0.34THz非对称传输器的正向转换幅度Tyx的3dB相对带宽约为13%，在0.33THz达到最高转换幅度0.88，而反向转换幅度Txy小于0.1。.2）为进一步提高太赫兹频段非对称传输结构的性能，本项目研制了2种双波段太赫兹非对称传输器，可同时在两个太赫兹通信窗口实现非对称传输。第一个双波段工作频率位于0.41和0.67THz两个窗口。测试得到Tyx在两个窗口对应的峰值幅度分别为0.66和0.52，而Txy值低于0.1。第二个双波段工作频率为0.67和0.96THz，测试得到Tyx的峰值幅度分别为0.6和0.58，而Txy低于0.1。.3）以上研制的太赫兹非对称传输器一旦加工完成，其性能也就给定。本项目提出了一种基于石墨稀的可调双边带非对称传输器，两个可调工作窗口位于0.41和0.67THz。随着石墨稀化学势的变化，第一个非对称传输窗口Tyx的幅度从0.74降到0.35。在第二个非对称传输窗口，Tyx首先从0.8降到0.67并保持不变，Txy幅度始终小于0.2。.4）最后，基于全介质超材料结构设计并实现一种超宽带的太赫兹非对称传输器。在0.68-0.8THz范围内，Txy的传输幅度均在0.6以上，对应峰值为0.93，而Tyx均低于0.3。.本项目的研究成果将对我国太赫兹超宽带、宽带、多波段、可调以及全介质非对称传输器的发展和应用提供重要的理论指导和技术支持。