基于二维材料和超材料的太赫兹全光开关特性研究

The all-optical terahertz (THz) switch is one of the key devices in THz wireless communication. However, THz switches based on traditional semiconductors demonstrate low extinction ratios and low switching speeds and fail to satisfy the demand of THz wireless communication. Therefore, this program aims at fabricating a high-performance all-optical THz switch based on two-dimensional materials and metamaterials. The technology to fabricate and transfer two-dimensional materials with high quality, and the technology of device fabricating are to be studied. Factors affecting the extinction ratio and the switching speed of the switch are also to be discussed. Meanwhile, the operating mechanism of the switch will be explored. Our program can improve the performance of all-optical terahertz switches. Hence it may promote the application of THz switches in wireless communication.

太赫兹全光开关是太赫兹通信的关键器件之一。传统的半导体太赫兹全光开关由于较低的消光比和开关速度无法满足太赫兹通信技术的要求。因此，本项目提出并研制基于二维材料和超材料的高性能太赫兹全光开关。研究高性能二维材料的制备和转移技术、器件制备工艺技术和影响开关器件消光比及开关时间的因素，并对器件工作机理进行深入探索。所研制的全光开关器件能够提升太赫兹开关的性能，且具有小型化、集成化的特点，有望推动其在太赫兹通信中的应用。

太赫兹波是指频率在0.1-10 THz的电磁波（波长0.03-3mm）。相对于微波，太赫兹波具有较高的频率和带宽，成为发展高速、宽带无线通信技术潜在的理想载体。传统的无线通信电调制技术已不再适用太赫兹通信系统，必须研究针对太赫兹波通信的全光高速信号调制技术。太赫兹光开关利用外加调制信号变化来控制太赫兹波的振幅、相位等，决定太赫兹信号的处理和响应速率。传统的太赫兹全光开关由常规半导体如硅、砷化镓来实现，但低的消光比和低的开关速度阻碍了其进一步的发展。因此，研究高性能太赫兹全光开关、提升开关器件的性能对于无线通信领域具有十分重要的意义。.本项目研究基于二维材料和超材料的太赫兹全光开关器件，解决二维材料生长和转移、超材料设计、太赫兹全光开关器件制备中的工艺难题，并对全光开关的特性和机理进行研究。.我们成功地利用二维材料转移方法制备出二硫化钨纳米片/高阻硅衬底结构的太赫兹调制器，调制效率达到99%。基于对多种二维材料太赫兹调制效应机理的理论分析，提出基于缺陷的太赫兹调制物理机制。.研究成果表明，基于二维材料和超材料的太赫兹全光开关对于太赫兹光开关性能的提升和推动太赫兹通信技术的发展具有重要意义。