【摘 要】
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太赫兹技术在成像、天文观测、生物医学和宽带无线通信等领域都有重要的应用价值,是能够对社会和经济发展产生重大影响的前沿技术,被评为“改变未来世界的十大技术”之一。未来6G通信将进入太赫兹频段,不仅需要采用太赫兹波进行数据传输,还需要对太赫兹波进行高效、快速地调控。然而,在自然界中很难找到对太赫兹波高速响应的材料,而在微波和光波波段常用的调制方法也不完全适用于太赫兹波段。因此,研制结构简单、成本低、调
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太赫兹技术在成像、天文观测、生物医学和宽带无线通信等领域都有重要的应用价值,是能够对社会和经济发展产生重大影响的前沿技术,被评为“改变未来世界的十大技术”之一。未来6G通信将进入太赫兹频段,不仅需要采用太赫兹波进行数据传输,还需要对太赫兹波进行高效、快速地调控。然而,在自然界中很难找到对太赫兹波高速响应的材料,而在微波和光波波段常用的调制方法也不完全适用于太赫兹波段。因此,研制结构简单、成本低、调制深度高、调制速度快的太赫兹主动调控器件,具有十分重要的意义。本文主要创新工作如下:（1）运用时域有限积分方法,提出了基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS）可重构超材料的太赫兹波幅度和频率调控器件。该器件由MEMS梳齿驱动器驱动,具有中心谐振频率分别位于0.66 THz和1.31 THz的两个通带。当梳齿驱动器施加直流偏置电压时,可动结构将逐渐向固定结构靠近,低频通带在中心频率基本不变的情况下,振幅调制深度达到84.4%。同时,高频通带的振幅变化很小,中心频率表现出明显的红移,最大频移达到0.195 THz。引入有限元分析方法研究了梳齿驱动器的机电性能,仿真结果表明:在120 V驱动电压下实现了4μm的位移,器件开关时间约为9μs。结合两个通带中心频率处的表面电流分布情况,建立了单元结构的等效电路模型和谐振频率表达式,深入分析了器件的动态调控机理。（2）设计并制备了低电压驱动的太赫兹双模幅度调控器件。采用二氧化钒复合超表面,实现了对太赫兹波在正交模式下的幅度调控。器件采用表面微加工工艺进行制造,并利用太赫兹时域光谱系统进行测试。未加电时,器件在横磁（Transverse Magnetic,TM）模式下具有一个中心频率为0.43 THz的通带,当电流增加至520 m A时,振幅调制深度达到最大值68%。而在横电（Transverse Electric,TE）模式下,从透明宽带切换为一个新的窄带,饱和电流为500 m A时最大调制深度为63%。通过动态测试表征了器件的切换速度,发现二氧化钒相变触发时间为2.1 s,而恢复时间为1.9 s。本部分工作为电控太赫兹开关和幅度调制器的小型化和集成化提供了新的途径。（3）基于二氧化钒复合超表面,提出了宽带透射式太赫兹相位调制器。通过将二氧化钒嵌入两个金属谐振结构之间,利用二氧化钒的绝缘态-金属态相变重构单元,改变结构的谐振模式。结合透射振幅谱和相位谱的变化关系,解释了二氧化钒从绝缘态相变为金属态时,器件能够产生大相移的原理。实验结果表明,当偏置电流为290m A时,在70 GHz带宽下相移超过了90度,并在0.63 THz处获得102度的相移。基于等效电路理论,建立了单元结构的等效电路模型,并对各个电路元件的参数值进行了理论计算。利用电路仿真方法,模拟了二氧化钒处于不同状态时器件的透射振幅谱和相位谱,与全波仿真和实验结果基本一致,从而直观分析了主动调控器件的相位调控机理。本文设计的三种太赫兹波主动调控器件,能实现太赫兹波幅度、频率和相位的主动调控,在未来太赫兹宽带无线通信、相控天线、波束控制等领域具有潜在的应用价值。本文的研究方法对新型太赫兹主动调控器件的研发具有重要的参考价值。
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