太赫兹磁光超表面非互易传输和隔离器件的研究

The development of high performance terahertz (THz) isolator can effectively solve problems of echo eliminating, source protection, impedance matching, decoupling and noise reduction in THz application systems, which has an important significance to improve signal to noise ratio and stability for THz systems. This project is aimed to the basic physics and related technical issues in THz nonreciprocal transmission and devices. To solve low isolation and high insertion loss in present THz isolators, we put forward a novel scheme based on magneto-optical metasurface. THz magneto-optical materials are introduced into electromagnetic artificial microstructure forming asymmetric magneto-optical metasurface. This structure can enhance magnetic optical effect of magneto-optical medium, and effectively break the time reversal symmetry of system to realize the high isolation nonreciprocal transmission. This project will specially focus on the physical mechanism of nonreciprocal transmission and active control of THz magneto-optical metasurface, and the principle of impedance matching for THz isolator. We will design, fabricate and measure two different THz isolators based on InSb asymmetric metasurface and ferrofluid filled metal-magneto metasurface with an isolation of more than 40dB and an insertion loss of less than 0.91dB.

高性能太赫兹（THz）隔离器的研制，可以高效地解决THz应用系统中存在的反射回波、辐射源保护、阻抗匹配、去耦降噪等问题，对提高THz系统信噪比和稳定性具有重要意义。本项目针对目前THz非互易单向传输及其器件隔离度低、插入损耗大等关键问题，提出了磁光超表面THz隔离器的研究方案。该方案将THz磁光材料引入到新型电磁人工微结构中，形成非对称磁光超表面，利用超表面结构增强磁光材料的磁光效应，有效地打破器件的时间反演对称性，以实现大幅面、高隔离度、低插入损耗的可调谐THz磁光超表面隔离器。本课题将着重研究THz磁光超表面非互易传输和主动调控的物理机理，以及隔离器的阻抗匹配原理和设计方法，设计、制备和测试InSb非对称超表面和填充磁流体的金属-磁光超表面两种结构的THz隔离器，实现隔离度大于40dB，插入损耗小于0.91dB的高性能THz单向传输。

高性能太赫兹（THz）隔离器的研制，可以高效地解决THz应用系统中存在的反射回波、辐射源保护、阻抗匹配、去耦降噪等问题，对提高THz系统信噪比和稳定性具有重要意义。本项目针对目前THz非互易单向传输及其器件隔离度低、插入损耗大等关键问题，提出了磁光超表面THz隔离器的研究方案。该方案将THz磁光材料引入到新型电磁人工微结构中，形成非对称磁光超表面，利用超表面结构增强磁光材料的磁光效应，有效地打破器件的时间反演对称性，以实现高隔离度、低插入损耗的可调谐THz磁光超表面隔离器。本课题研究THz磁光超表面非互易传输和主动调控的物理机理，以及隔离器的阻抗匹配原理，设计、制备和实验表征THz单向传输器件。本项目主要在“基于磁光超表面的太赫兹单向传输与高灵敏磁场传感器件”、“基于InSb金属-磁光等离子体太赫兹磁光偏振变换与单向传输”、“室温工作的双层介质-磁光超表面THz隔离器”和“基于THz双折射超表面的非磁偏振变换与非对称单向传输器件”四个方面取得了重要进展，实现隔离器大于40dB，插入损耗小于0.5dB，且室温运转、磁场可调谐工作的高性能THz单向非互易传输，同时还发展了基于非磁性THz超表面单向传输器件，获得了隔离度大于30dB、工作带宽超过1THz，透过率大于90%的高性能THz非对称单向传输。本项目发表相关第一或通讯作者SCI、EI论文24篇，申请发明专利4项，并受邀在《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》期刊Terahertz Photonics专辑上以“A review of magneto-optical microstructure devices at terahertz frequencies”为题，发表关于THz磁光微结构器件的综述论文，介绍本项目组近年来在本领域内取得的成果。本项目为发展THz磁光传输理论和单向传输器件提供了重要的学术研究成果，为THz隔离器件走向应用起到促进作用。