多功能光子晶体太赫兹可调谐器件研究

太赫兹（Terahertz）技术在宽带无线通信、生物医学研究、安全检查以及高分辨率雷达等众多领域有着非常重要的应用，是目前国内外的热点研究领域。随着太赫兹辐射源、检测技术的日趋成熟，太赫兹功能器件已成为太赫兹技术科学走向实际应用的瓶颈问题。本课题瞄准国家基础科学发展的重大需求，在前期理论研究工作的基础上，提出研制低损耗、高效传输调制的光子晶体太赫兹器件，特别侧重于探索多功能、可调谐太赫兹器件实现的有效技术途径。课题将重点研究填充液晶材料的硅光子晶体及光子晶体波导和铁氧体磁光材料制备的磁光子晶体的传输特性，研究带隙结构在外磁场或电场驱动下的变化规律，并依据现有微加工技术的精度，设计和制备高消光比太赫兹开关、可调谐滤波器、可调谐相位控制器以及可控分束器等关键太赫兹功能器件。

本项目以研制太赫兹宽带无线通信、太赫兹雷达成像等应用系统急需的功能器件为目标，侧重于探索多功能、可调谐太赫兹器件实现的有效技术途径，设计和制备高消光比太赫兹开关、可调谐滤波器、可调谐相位控制器以及可控分束器等关键太赫兹功能器件。 .经过四年项目的实施，课题组在太赫兹功能器件的研制方面取得一些重要的研究进展，在Appl. Phys. Lett. (4篇)、Optics Express（4篇）、Optics Letters（2篇）、IEEE Photonics Technology Letters（5篇）等期刊上发表学术论文42篇，其中SCI收录34篇，EI收录4篇，SPIE大会邀请报告一篇。重要的研究进展如下：1.首次提出了THz相变光子晶体可调控器件的概念、理论及制备方法，并进行加工和实验测试，用同一微结构器件获得了介质光子晶体、金属光子晶体和表面等离子体阵列三种不同机理的人工电磁微结构，并通过不同的光场调控方式实现了它们之间的相互转换和对THz波的强度调制，器件振幅调制深度达70%。2.研究了不同浓度的有机载液磁流体在THz波段光学性质和横向磁光效应，发现了磁流体在THz波段折射率和吸收与磁纳米粒子浓度的关系和两种不同机理的磁致双折射效应。通过THz光子晶体填充磁流体的方式构成磁光微结构器件，从实验和理论上论证了该器件在THz波段的磁致导模谐振分裂和相干诱导透明效应，实现了外磁场对THz波的主动调控，调制深度达到25dB，谐振频率调谐范围大于150GHz。这是国内外首次在THz波段实现磁光微结构可调控器件的实验报道，证实了利用人工磁光微结构实现THz波磁光模式分裂和增强效应。3.在实验上观测到THz波垂直入射光子晶体柱阵列结构时的导模谐振效应，建立了该谐振的有效介质理论和谐振模型。基于此效应，利用THz光子晶体实现了微量流体的定性检测和实时定量传感，定量传感精度达10-5ml/mm2量级。4.设计并加工了双肖特基栅阵表面等离子体THz调制器， 实验上发现了器件在正偏压下的谐振频率跳变和负偏压下的谐振频率平移两种不同的调制行为，在15V电压下获得大于15dB的强度调制；研究了不同偏压对器件的两种肖特基势垒中载流子分布的空间调制，以及由此引起的对应光子带隙的产生和移动过程，揭示了一种基于双光子带隙系统的THz表面等离子体调控的新机制。