基于新型回音壁微腔结构的高Q值太赫兹集成芯片的研究

Terahertz integrated photonic chip has wide applications in terahertz communications and biosensing. The key of this technology is easily integrated high Q-value microcavity on chip. Previous designed microcavities have disadvantages such as low Q-value and integration difficulties. In this project, a novel terahertz chip based on plasmonic whispering gallery mode(WGM) microcavity with high Q value is proposed. Firstly, the resonant frequencies of such WGM formed by spoof localized surface Plasmon (SLSP) are obtained by using dispersion equation and effective dielectric model. Then, the field transfer model between microcavity and plasmonic waveguide is established by using coupling mode theory, to demonstrate the coupling mechanism and optimize the parameters to achieve the highest Q value. In addition, the transmission properties of cascaded cavities in resonator-waveguide systems are analyzed by using temporal coupled-mode theory and transfer matrix method. Finally, we fabricate the terahertz microchips by using photolithography and use terahertz vector network analyzer& probe platform to measure the transmission properties. A sensitivity model that can evaluate the precision in dielectric analysis of disk shape pharmaceutical tablets and droplet of liquid samples is proposed. This study will reveal the mechanism of exciting SLSP and forming high Q value WGM by coupling of plasmonic waveguide. The results will provide the theory and technological references for the development of high Q-value terahertz integrated microchip.

集成太赫兹光路芯片技术在通讯和生物传感中有着巨大的应用。实现这项技术的关键是在芯片上设计可集成化的高Q值微腔结构。现有的微腔结构大都存在品质因数低或不利于芯片集成等缺点。本项目研究一种基于表面波激发回音壁型微腔结构的高Q值太赫兹芯片，首先利用本征方程结合等效介质模型得到高阶回音壁腔模的特征频率，然后利用耦合模理论建立微腔结构与等离子波导之间的电磁能量交换模型，以揭示耦合机理及优化结构参数使Q值达到最大。接着利用时域耦合模理论结合传输矩阵法分析级联微腔结构对传输系数和谐振峰的影响及物理机理。最后，利用光刻加工方法，结合太赫兹网络分析仪及探针平台，制备并测试微腔芯片，建立灵敏度分析的模型，并将其应用于药片成分和溶液浓度监测中。本项目将揭示用等离子波导激发伪局域表面波产生高Q值回音壁微腔模式的物理机理，为新型太赫兹高Q值集成微芯片的研发提供理论依据和技术参考。

随着太赫兹技术的发展，太赫兹技术在通讯、生物检测、安全检查等领域的应用得到了广泛的发展。同时，为满足快速精准的应用需求，集成太赫兹光路芯片技术在通讯和生物传感中也有着巨大的应用前景。实现这项技术的关键是在芯片上设计可集成化的高Q值微腔结构。现有的微腔结构大都存在品质因数低或不利于芯片集成等缺点。本项目研究一种基于表面波激发回音壁型微腔结构的高Q值太赫兹芯片，取得了如下成果：1.研究了芯片式耦合谐振器结构激发高阶回音壁模式，制备了芯片用于油品检测；2.设计了包含缺陷的褶皱金属圆盘芯片，成功激发回音壁模式，利用其激发多极Fano共振并研究生物传感应用；3.研究涡旋光与回音壁模式的相互作用，实验验证了不同拓扑模式下电场模式特性；设计太赫兹等离子体螺旋环芯片，研究了此芯片结构对偏振态的选择性；4.研究基于太赫兹棱镜耦合赝表面等离激元（Spoof SPP）的相位调控装置，设计惨杂硅耦合光栅，结合耦合棱镜结构，通过仿真及实验研究其对于反射波及相位的调控效果。此外，在研究中我们还拓展了研究方向，在太赫兹波导以及基于超材料的生物检测领域取得了一系列的成果。发表标注本项目资助的SCI收录论文15篇，包括：《Advanced Optical Materials》一篇（IF:8.286，ESI前3%论文）、《Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering》一篇（获主编推荐，ESI前3%论文）、《Optics Express》二篇、《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》一篇、《Applied Physics Express》一篇、《Plasmonics》一篇、《Sensors》一篇等。申请与项目相关的发明专利16项，其中授权9项，在审7项。