基于二维纳米材料的高效THz放大和调制器件研究

High efficient THz amplifier and modulator are indispensable and pressing for the development of THz wireless communication and radar imaging systems. However, research on the THz amplifier is still in its infancy, and the development of the THz modulator also falls into bottleneck period after significant progress has been made. In this project, we propose novel approaches to develop high efficient THz amplifier and modulator by using two-dimensional graphene and MoS2 nanomaterials. The THz amplifiers based on the graphene-silicon photonic band gap structure and graphene-electromagnetic induced transparency (EIT) based metasurface structure, as well as the modulator based on MoS2-semiconductor heterostructure will be designed and fabricated. And their resonant properties, slow light enhancement effect as well as catalytic action and high-speed transport effect on the carrier will be investigated experimentally and demonstrated to be the key factors to improve across scales interaction between the two-dimensional nanomaterials and THz waves. The THz amplifier with gain of 40dB and the modulator with modulation rate of 1 GHz will be developed in this project so as to satisfy the demand of the development of terahertz application systems.

THz无线通信、雷达成像等应用系统的发展对高效THz放大器和调制器有着迫切的需求，国内外对THz放大器的研究尚处于起步阶段，调制器的研究尽管已取得长足进步但也进入瓶颈期。本项目围绕二维纳米材料石墨烯和MoS2在研制THz放大器和调制器时所遇到的三个共性关键科学问题，提出将二维纳米材料与传统半导体材料和人工微纳结构相结合，利用石墨烯-硅光子带隙结构和石墨烯-电磁诱导透明（EIT）超表面结构的人工电磁谐振和慢光增强效应以及含有人工微纳光子结构的MoS2-半导体异质结构中的MoS2对载流子产生的催化和高速输运效应，突破现有二维纳米材料与THz波间跨尺度电磁相互作用增强的技术瓶颈，研制增益大于40dB的THz高效放大器和调制速率大于1GHz的光控THz调制器，以满足我国太赫兹技术发展和应用对太赫兹功能器件的需求。

太赫兹无线通信、雷达成像等应用系统的发展对高效太赫兹放大器和调制器有着迫切的需求。项目围绕二维纳米材料（石墨烯等）在研制太赫兹放大器和调制器时所遇到的共性关键科学问题，提出将二维纳米材料与传统半导体材料和人工微纳结构相结合，通过探索二维纳米材料与太赫兹波间跨尺度电磁相互作用增强的有效技术途径，研制高性能太赫兹波放大器和调制器，满足我国太赫兹技术发展和应用对太赫兹功能器件的需求。.项目的研究内容包括：1. 基于二维纳米材料的慢光谐振结构的太赫兹波放大机制研究；2. 基于二维纳米材料-半导体异质结构的太赫兹波调制机制的研究；3.器件带宽、插入损耗特性改善和可调谐机制研究。.本项目主要在纳米材料特性研究、基于二维纳米材料的太赫兹放大器和其他太赫兹光场调控器件、太赫兹液晶可调谐器件、磁光材料太赫兹主动调控器件以及介质超表面偏振控制器件等方面取得了一系列研究成果。重要成果包括：.1.提出了太赫兹放大器实现的二种方案，其中基于石墨烯-硅光子晶体带隙结构的太赫兹放大器的峰值增益倍率可达31dB，可调谐范围为1.27∼1.70THz；另一种实现方案为光泵浦石墨烯-介质复合超表面的太赫兹放大器，在室温且红外泵浦强度为8 W/mm2时，在谐振频率3.38 THz处的增益系数可以达到35。且通过重新优化介质谐振器的几何参数，可以实现3-5 THz范围内不同频率太赫兹波的放大。这些研究结果为增强太赫兹辐射和开发太赫兹激光器提供了有效的解决方案。.2．设计和制备了多种新颖的太赫兹调控器件，包括光电主动调控的3D石墨烯泡沫调制器、纳米材料（石墨烯、碳纳米管）-介质超表面结构的偏振转换器、纳米材料（碳纳米管、铁磁纳米流体）-液晶复合材料的相移器，以及基于磁光材料的太赫兹波主动调控器件。最高的光泵调制深度可达100%，工作带宽涵盖0.1-1.7THz。这些研究结果为研制高性能的太赫兹波调制器、偏振控制器、相移器、可调谐滤波器、波束扫描器提供了有效的手段。.上述成果在Advanced Optical Materials、Carbon、Photonics Research、Appl. Phys. Lett.、Optics letters、Nanomaterials、Nanoscale等重要学术期刊上发表论文34篇，出版专著一部，申请专利16项，其中授权国家发明专利8项，授权实用新型专利3项。