有源太赫兹超导超材料

有源太赫兹超导超材料

近十几年来,随着人工电磁媒质的兴起,超材料赋予了人们主观调控电磁波

的能力的同时也为匮乏的太赫兹波段功能器件的设计开辟了新的研究道路。伴随着太赫兹系统的集成化和小型化,人们也愈加迫切的希望器件具备有源动态调控的能力。而在有源调控当中,很多会涉及到功能器件透射系数的调谐,例如,短程的无线太赫兹通信与超快的太赫兹信号互联都需要相应的开关和调制器件。然而在现存的这些太赫兹开关、调制器件当中,插入损耗、调制深度以及调制速率仍然是当前设计过程中面临的重要难题。

超导材料,以其极低的欧姆损耗和优越的调谐能力成为了制作太赫兹有源功能器件极佳的候选者之一。它不仅有效的提高了器件性能,同时便于器件与某些太赫兹低温系统的完美集成,如一些高灵敏的太赫兹检测器和固态源等,这将极

大的拓展了太赫兹器件的应用领域。本文将超导和超材料相结合,从器件的结构设计、模型仿真、理论计算以及加工测试等方面,详细研究了超导开关与调制器等太赫兹有源功能器件。论文的内容主要包括:第一,研究了复合结构超材料中常用于开关与滤波器设计的两种最为典型的电磁响应,EIT-like以及V-type效应。

然而,两者相似的频谱和产生方式很容易引起人们的混淆。我们引入杂化耦合模型对两种效应的产生机制加以分析,理论、仿真和实验研究了它们之间的过渡关系。通过谐振器中具体的物理参量,我们有针对性的研究器件的性能并行使其功能。这为接下来超导开关和调制器的设计研究奠定了理论基础,简化了器件的设计难度。

第二,在V-type模式的基础上,我们利用超导超材料研究设计了一种低插损、高开关比的太赫兹电调制开关。通过杂化耦合模型的引入,我们对相同结构的Au 与NbN超材料进行比较,充分揭示了超导器件的优越性。与此同时,我们对超导开关的电调制特性进行了表征。将温度与电流效应相结合,我们对电流效应的调制机理以及开关器件可调谐的动态范围进行了研究。

第三,在EIT-like效应的基础上,我们研究了太赫兹超导电调制器。本着提高器件调制速率的理念,在超导电调制开关的基础上对器件的结构进行优化,进

一步简化器件的通电尺寸、降低器件的寄生参量。通过静态和动态测试,我们对太赫兹超导调制器的性能进行了表征,得到最大调制深度、开关速率等器件的重

要参数指标。第四,在亚波长小孔阵列异常透射的基础上,我们研究了太赫兹超导等离子体器件的电调制效应。

讨论了超导小孔阵列透射峰增强的理论机制,同时我们对器件的性能进行了表征。从NbN薄膜电导率以及动态电感的温度特性着手,我们对超导器件中温度、电效应的调制机理加以了研究。