专栏：太赫兹功能器件与技术2021(5)
发刊词
《太赫兹功能器件与技术》专栏正式和大家见面了！
太赫兹波因其具有独特的电子学和光子学特性，而在天文、遥感、成像及安全等领域具有十分广泛的应用。尤其是在无线通信领域太赫兹波段已成为第六代无线移动通信带宽及速率提升的必然选择。太赫兹技术不仅能够大大提高信息传输速率，而且可以大幅提升网络容量，将成为6G通信的核心技术。为充分发挥太赫兹技术的明显优势，对于太赫兹波的传输与控制至关重要，尤其是太赫兹功能器件与技术已成为当前国际上交叉前沿研究领域的热点，对其进一步的深入研究，必将使其功能更加有效地丰富起来，以满足日益增长的应用需求。
本次出版《太赫兹功能器件与技术》专栏，我们通过期刊搭建平台，吸引更多的专家学者共同致力于新型太赫兹功能器件的开发与应用，推动太赫兹器件与技术研究的发展，实现学术层面的互通以及研究成果的共享，努力为未来6G通信提供重要的技术支持与储备。
本次专栏内容十分丰富，既有关于太赫兹模场调控等基础性理论的探讨，也有应对功能实现的波导器件设计方案；既有太赫兹波导器件及成像技术的宏观综述，也有太赫兹超表面及材料表征的实验研究，等等。在此，我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家学者，以及积极参与专栏征文活动的所有作者表示衷心的感谢！
我们处在前所未有的变革时代，干着前无古人的伟大事业。太赫兹领域研究人员责任重大，使命光荣。让我们不断地拓宽眼界，提升业务能力，为中华民族的伟大复兴贡献每一份微薄的力量。众人拾材火焰高，相信有各位学者专家共同努力和广大读者的热心支持，太赫兹波研究事业必将迎来一个辉煌的未来。
本期专栏主编：樊亚仙
文章列表
2021, 19(5):769-777.
DOI: 10.11805/TKYDA2021246
摘要:
太赫兹波因其独特的频谱特性，在天文观测、星际通信、国防安全等领域有着重要的交叉前沿应用。滤波器作为太赫兹探测/通信系统中关键器件之一，能够提取特征信号并抑制干扰频率，提高系统的目标探测性能。近年来，得益于高精确度制备工艺的快速发展，太赫兹波导滤波器的研究进展已取得突破性成果，基于不同类型、结构、工艺的太赫兹波导滤波器被深入研究。该综述从太赫兹频段加工工艺方面入手，阐述了太赫兹频段波导滤波器的发展现状和普遍问题，并总结了主流工艺下滤波器的优缺点，为太赫兹高性能波导滤波器的进一步发展提供参考。
太赫兹波因其独特的频谱特性，在天文观测、星际通信、国防安全等领域有着重要的交叉前沿应用。滤波器作为太赫兹探测/通信系统中关键器件之一，能够提取特征信号并抑制干扰频率，提高系统的目标探测性能。近年来，得益于高精确度制备工艺的快速发展，太赫兹波导滤波器的研究进展已取得突破性成果，基于不同类型、结构、工艺的太赫兹波导滤波器被深入研究。该综述从太赫兹频段加工工艺方面入手，阐述了太赫兹频段波导滤波器的发展现状和普遍问题，并总结了主流工艺下滤波器的优缺点，为太赫兹高性能波导滤波器的进一步发展提供参考。
2021, 19(5):778-783.
DOI: 10.11805/TKYDA2021131
摘要:
太赫兹成像技术在人体安检、无损探伤、质量监控、生物医学、半导体特性表征等许多领域展现出广泛的应用前景。本文综述了各类太赫兹二维成像技术，包括太赫兹扫描成像、太赫兹单像素成像、电光调制太赫兹成像、太赫兹相机直接成像等技术，综述各类成像技术的研究背景，分析了具体的成像方法和成像结果，总结了不同太赫兹成像技术的优缺点并对今后太赫兹成像技术的发展趋势做出展望。
太赫兹成像技术在人体安检、无损探伤、质量监控、生物医学、半导体特性表征等许多领域展现出广泛的应用前景。本文综述了各类太赫兹二维成像技术，包括太赫兹扫描成像、太赫兹单像素成像、电光调制太赫兹成像、太赫兹相机直接成像等技术，综述各类成像技术的研究背景，分析了具体的成像方法和成像结果，总结了不同太赫兹成像技术的优缺点并对今后太赫兹成像技术的发展趋势做出展望。
2021, 19(5):804-807.
DOI: 10.11805/TKYDA2021245
摘要:
在射电天文领域，为了实现更宽频带内多谱线同时观测任务，要求太赫兹超导相干接收机向更宽带方向发展。针对下一代太赫兹超宽带接收机的应用需求，提出了一种频段覆盖180~ 420 GHz(相对带宽达87%)的超宽带脊波导双工器设计，主要包括：180~300 GHz频段和320~420 GHz频段宽带脊波导滤波器设计与变换；超宽带太赫兹多级耦合型脊波导双工器优化设计。仿真结果表明该结构能够在180~300 GHz和320~420 GHz频段双工工作，回波损耗整体优于15 dB，通道间隔离度达20 dB以上。
在射电天文领域，为了实现更宽频带内多谱线同时观测任务，要求太赫兹超导相干接收机向更宽带方向发展。针对下一代太赫兹超宽带接收机的应用需求，提出了一种频段覆盖180~ 420 GHz(相对带宽达87%)的超宽带脊波导双工器设计，主要包括：180~300 GHz频段和320~420 GHz频段宽带脊波导滤波器设计与变换；超宽带太赫兹多级耦合型脊波导双工器优化设计。仿真结果表明该结构能够在180~300 GHz和320~420 GHz频段双工工作，回波损耗整体优于15 dB，通道间隔离度达20 dB以上。
2021, 19(5):808-813.
DOI: 10.11805/TKYDA2021244
摘要:
研究了一种基于多模共振的多通道太赫兹波导滤波器。在太赫兹周期结构波导中引入缺陷，可以在禁带范围内形成通带，从而实现窄带滤波。通过数值模拟对多通道滤波器的特性进行了研究。结果表明，通过改变缺陷长度可以实现通道数可调的多通道滤波功能，通道数可达10~12个，透过率均在98%以上。此外，改变波导结构的周期个数，还可实现对通带带宽的调控，最窄带宽可达0.01 GHz。该波导滤波器性能优良，具有结构紧凑、易于集成、透过率高、通道多、带宽窄等优点，为太赫兹波段功能器件的研制提供重要的技术参考。
研究了一种基于多模共振的多通道太赫兹波导滤波器。在太赫兹周期结构波导中引入缺陷，可以在禁带范围内形成通带，从而实现窄带滤波。通过数值模拟对多通道滤波器的特性进行了研究。结果表明，通过改变缺陷长度可以实现通道数可调的多通道滤波功能，通道数可达10~12个，透过率均在98%以上。此外，改变波导结构的周期个数，还可实现对通带带宽的调控，最窄带宽可达0.01 GHz。该波导滤波器性能优良，具有结构紧凑、易于集成、透过率高、通道多、带宽窄等优点，为太赫兹波段功能器件的研制提供重要的技术参考。
2021, 19(5):814-818.
DOI: 10.11805/TKYDA2021201
摘要:
研究基于电磁超表面的太赫兹波束极化调控技术，即采用金属-介质-金属的三层结构设计了一种反射式太赫兹波90o线极化转换器，并分别采用数值仿真和实验测试方法表征其极化转换特性。结果表明，该反射式超表面可以在工作频率(0.5 THz)达到高效的线极化转换(高于75%)，且具有宽带特性(在0.35~0.65 THz极化转换效率超过50%)。此外，采用的超薄玻璃介质衬底使得超表面极化转换器具有厚度小、质量轻和耐热性好等优异的综合性能。
研究基于电磁超表面的太赫兹波束极化调控技术，即采用金属-介质-金属的三层结构设计了一种反射式太赫兹波90o线极化转换器，并分别采用数值仿真和实验测试方法表征其极化转换特性。结果表明，该反射式超表面可以在工作频率(0.5 THz)达到高效的线极化转换(高于75%)，且具有宽带特性(在0.35~0.65 THz极化转换效率超过50%)。此外，采用的超薄玻璃介质衬底使得超表面极化转换器具有厚度小、质量轻和耐热性好等优异的综合性能。
2021, 19(5):826-830.
DOI: 10.11805/TKYDA2021129
摘要:
为了形成带宽窄、品质因数Q高、选择性好的同轴布喇格反射器，提出一种倒圆锥型双重正弦同轴结构设计。基于耦合模式理论，在普通正弦槽结构的基础上，叠加刻蚀周期较小的辅助正弦分布，在导体内外壁上增加倒锥度，形成倒圆锥型双重正弦同轴布喇格结构。通过FORTRAN软件仿真得出，与普通正弦槽相比，倒圆锥型双重正弦同轴布喇格结构的工作模式和竞争模式的带宽更窄，品质因数Q得到提高，残余旁瓣现象得到抑制。同时，竞争模式的中心谐振频率点远离工作模式，带隙重叠进一步分离，频率选择性得到提高。该结构设计简单，方法合理，可以更好地分离工作模式和竞争模式，构建高品质因数Q、高功率的单一高次模谐振腔。
为了形成带宽窄、品质因数Q高、选择性好的同轴布喇格反射器，提出一种倒圆锥型双重正弦同轴结构设计。基于耦合模式理论，在普通正弦槽结构的基础上，叠加刻蚀周期较小的辅助正弦分布，在导体内外壁上增加倒锥度，形成倒圆锥型双重正弦同轴布喇格结构。通过FORTRAN软件仿真得出，与普通正弦槽相比，倒圆锥型双重正弦同轴布喇格结构的工作模式和竞争模式的带宽更窄，品质因数Q得到提高，残余旁瓣现象得到抑制。同时，竞争模式的中心谐振频率点远离工作模式，带隙重叠进一步分离，频率选择性得到提高。该结构设计简单，方法合理，可以更好地分离工作模式和竞争模式，构建高品质因数Q、高功率的单一高次模谐振腔。
2021, 19(5):753-768.
DOI: 10.11805/TKYDA2021252
摘要:
不同于传统的太赫兹组件，基于硅基的太赫兹系统在大规模使用情况下具有成本低，尺寸小，集成度高，操作性强，更容易实现大阵列等特点。近10年来，随着硅基半导体技术的快速发展和硅基工艺晶体管的截止频率提升，硅基太赫兹系统芯片的设计发展迅猛。本文将主要从硅基太赫兹源、硅基太赫兹成像芯片、硅基太赫兹通信芯片、硅基太赫兹雷达芯片四个方面对当前的硅基太赫兹系统芯片的研究现状和发展趋势进行综述。
不同于传统的太赫兹组件，基于硅基的太赫兹系统在大规模使用情况下具有成本低，尺寸小，集成度高，操作性强，更容易实现大阵列等特点。近10年来，随着硅基半导体技术的快速发展和硅基工艺晶体管的截止频率提升，硅基太赫兹系统芯片的设计发展迅猛。本文将主要从硅基太赫兹源、硅基太赫兹成像芯片、硅基太赫兹通信芯片、硅基太赫兹雷达芯片四个方面对当前的硅基太赫兹系统芯片的研究现状和发展趋势进行综述。
2021, 19(5):800-803.
DOI: 10.11805/TKYDA2021233
摘要:
基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应，难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩，进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩，从而引发了自旋选择的后向电磁辐射，进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统，测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路，有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。
基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应，难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩，进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩，从而引发了自旋选择的后向电磁辐射，进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统，测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路，有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。
2021, 19(5):819-825.
DOI: 10.11805/TKYDA2021240
摘要:
糖类是典型的手性物质，其在太赫兹波段的手性光谱尚未得到充分研究。本文研究了乳糖、半乳糖、葡萄糖3种糖类在低温和常温下的折射率和吸收谱，并通过太赫兹时域偏振光谱检测，获得了这些样品的手性光谱。实验结果显示，糖类吸收会随着温度降低而减弱，低温下有利于获得样品的手性特征；在80 K温度下，葡萄糖在1.3~1.5 THz频段表现出很强的圆二色性(CD)，在1.39 THz处CD谱峰值达到44.97%；在1.6~1.8 THz频段内，3种糖类都具有特定的手性特征峰，CD值均超过20%。研究结果对进一步认识手性生化样品在太赫兹波段的手性光谱及其内在机制具有重要参考价值。
糖类是典型的手性物质，其在太赫兹波段的手性光谱尚未得到充分研究。本文研究了乳糖、半乳糖、葡萄糖3种糖类在低温和常温下的折射率和吸收谱，并通过太赫兹时域偏振光谱检测，获得了这些样品的手性光谱。实验结果显示，糖类吸收会随着温度降低而减弱，低温下有利于获得样品的手性特征；在80 K温度下，葡萄糖在1.3~1.5 THz频段表现出很强的圆二色性(CD)，在1.39 THz处CD谱峰值达到44.97%；在1.6~1.8 THz频段内，3种糖类都具有特定的手性特征峰，CD值均超过20%。研究结果对进一步认识手性生化样品在太赫兹波段的手性光谱及其内在机制具有重要参考价值。
10 太赫兹近场成像技术及进展
2021, 19(5):784-793.
DOI: 10.11805/TKYDA2021267
摘要:
太赫兹(THz)波具有能量低、穿透性强、频带宽等特点，因而太赫兹成像技术在无损检测、生物医药、安全检测等众多领域得到了广泛应用，在实际应用中如何提高太赫兹成像的分辨力变得越来越重要。由于太赫兹近场成像技术可突破衍射极限，获得分辨力为亚微米甚至是纳米量级的高质量图像，基于近场技术的高分辨THz成像技术相继被提出，并得到了进一步的应用。本文首先阐述了太赫兹近场成像的基本原理；其次总结了近场成像进展及增强方法；最后对太赫兹近场成像的未来进行了展望。
太赫兹(THz)波具有能量低、穿透性强、频带宽等特点，因而太赫兹成像技术在无损检测、生物医药、安全检测等众多领域得到了广泛应用，在实际应用中如何提高太赫兹成像的分辨力变得越来越重要。由于太赫兹近场成像技术可突破衍射极限，获得分辨力为亚微米甚至是纳米量级的高质量图像，基于近场技术的高分辨THz成像技术相继被提出，并得到了进一步的应用。本文首先阐述了太赫兹近场成像的基本原理；其次总结了近场成像进展及增强方法；最后对太赫兹近场成像的未来进行了展望。
11 硫酸镁水合物的太赫兹表征
2021, 19(5):794-799.
DOI: 10.11805/TKYDA2021243
摘要:
太赫兹时域光谱技术作为一种新型光谱检测手段，可用于包括水合物在内的多种物质的表征。金属硫酸盐具有多种不同的水合物，在太赫兹波段表现出不同的吸收特性，利用太赫兹光谱技术可以对过渡金属硫酸盐的不同水合物进行有效表征。本文利用太赫兹时域光谱系统对硫酸镁及其水合物进行表征。通过对七水硫酸镁进行恒温干燥，得到不同的硫酸镁热解产物并对其太赫兹吸收光谱进行研究。实验结果表明不同水合物表现出差异明显的太赫兹吸收特性。这为硫酸镁水合物的多种应用提供了重要参考，也为过渡金属硫酸盐及其水合物的检测提供了简单、快捷、有效的表征手段。
太赫兹时域光谱技术作为一种新型光谱检测手段，可用于包括水合物在内的多种物质的表征。金属硫酸盐具有多种不同的水合物，在太赫兹波段表现出不同的吸收特性，利用太赫兹光谱技术可以对过渡金属硫酸盐的不同水合物进行有效表征。本文利用太赫兹时域光谱系统对硫酸镁及其水合物进行表征。通过对七水硫酸镁进行恒温干燥，得到不同的硫酸镁热解产物并对其太赫兹吸收光谱进行研究。实验结果表明不同水合物表现出差异明显的太赫兹吸收特性。这为硫酸镁水合物的多种应用提供了重要参考，也为过渡金属硫酸盐及其水合物的检测提供了简单、快捷、有效的表征手段。
