基于二维光子晶体多通道太赫兹波解复用器

1绪论 1.1太赫兹简述 频率在0.1~10THz这个范围之内的电磁波可称其为太赫兹(Terahertz,THz)波,它位于微波和红外线之间。由于受到太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,在过去很长的一段时间内,凡是涉及太赫兹波段的实验数据及研究结果都非常少。因此,人们对

1绪论
1.1太赫兹简述
         频率在0.1~10THz这个范围之内的电磁波可称其为太赫兹(Terahertz,THz)波,它位于微波和红外线之间。由于受到太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,在过去很长的一段时间内,凡是涉及太赫兹波段的实验数据及研究结果都非常少。因此,人们对太赫兹波的了解途径闭塞,对它的了解程度更是少之又少,以致于出现了电磁波谱中的太赫兹空隙。
基于二维光子晶体多通道太赫兹波解复用器 
图1.1 太赫兹波在光谱间所处的位置
       2004年时,据相关报道,美国政府当年将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四。另外,美国、欧洲、澳大利亚、日本等许多国家和许多大学、国家重要研究机构都投入了很大研发力量来研究。2005年11月,我国在北京召开了“香山科技会议”,会议的主题为“太赫兹科学技术的新发展”。会议邀请了在太赫兹科研领域的多位资深院士进行专门地研究与讨论,主要内容为我国太赫兹技术的发展方向,并对其进行合理的规划,由此可见国家对太赫兹技术发展的重视度及其自身发展的重要性。这几年来,我国的科研工作者也着手开展了一系列关于太赫兹波技术的研究工作,且从中取得了不少显著的成果。不少专家认为太赫兹波将颠覆传统观念,或将成为6G通信的基础。
        2017年之后,随着国家战略规划布局的展开,在紧随国家指导政策的前提下,如何加快太赫兹技术研发成果的转化速度,且完成全产业上下游的完美链接,进一步提升整个太赫兹产业链的市场竞争力,这是目前太赫兹领域所面临的最大问题与共性需求。方方面面都极其迫切地需要有一个可以集产、学、研、资于一体的权威性跨界平台,可以共同携手解决该领域内已经面临的或者是即将面临的产品、技术、标准、资本、市场等一系列的问题。在这样的一种背景条件下,我们可以大胆地预期,太赫兹产业联盟将会适时地应运而生。太赫兹产业联盟的成立,将会建立起一座沟通的桥梁,该桥梁会成为社会各方包括研究机构、上下游企业、资本等的连接的一个重要渠道。它可以协调基础研究、应用研究和产品研究之间的关系及相互的快速转换,这不仅为有效推广太赫兹研发成果在整个国际市场发展了奠定一定的产业基础,同时在一定程度上加快了我国太赫兹技术产业化的进程,可以解决产业链上下游在结构上的资源调配整合问题,进而将集组件、系统、应用等于一体的整个系统同步向前推进,从而保持产业布局和技术研发的发展的步调保持一致。
1.1.1太赫兹波的特性
 
       (1)强透射性:太赫兹波可通过对不透明物体的透视进而形成相应的像。对于许许多多的介电材料以及非极性物质,太赫兹波均具有较强的穿透性。这是由于这种特性,它常常被用于安检或是质检过程中的无损检测。
       (2)低能量性:太赫兹光子能量是4.1meV,大概是X射线光子能量的/基于二维光子晶体多通道太赫兹波解复用器。通常情况下是不会使各生物组织产生某些有害的电离,正是因此特性,它在医学方面得到极为广泛的应用,例如进行DNA鉴别。
       (3)指纹光谱:太赫兹波段中涵盖了极其丰富的化学和物理方面的信息,大多数分子在相应的太赫兹波段均有各自独特的“指纹”特征谱,这些“指纹”特征谱结合太赫兹光谱成像技术为物质的物理和化学性质的分析提供了有效的特征依据。
       (4)瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽是处在皮秒量级别的,要到达有效地抑制背景辐射噪声的干扰这样的目的,可采用电光取样测量技术。
       (5)相干性:太赫兹的相干测量技术可直接应用于测量电场的相位和振幅,且对于得到样品的折射率、介电常数、吸收系数这些相关的光学系数来说相对容易些。
       (6)吸水性:水对太赫兹辐射有超强的吸附能力。由于肿瘤中的水分较正常组织中的含量明显不同,所以可以通过利用该特性来分析组织中的水分含量进而确定肿瘤的具体位置。
1.1.2太赫兹波的应用
        太赫兹波主要应用领域的广泛是不容小觑的,包括监测、化学分析、生物医学、空间物理和天文学、环境检测、安全检查、工业无损检测、军事和通信领域等各个方面。由于太赫兹波的频率很高,所以其空间的分辨率同样是相当高的;又因其脉冲非常短(皮秒量级),所以其时间的分辨率也是相当高的。
1、国家安全、反恐方面
         由于太赫兹波对许多不透明物体,类似衣物、陶瓷、硅片、塑料、干木材和纸张等这一系列物质都具有很强的穿透能力;另外,由于太赫兹“指纹谱”的特性,可利用此特征进行各种物质的识别,反恐、保安和海关检查等部门极为重视在武器、化学生物危险品和毒品等的邮件隐藏物的非接触检测、非接触安全监测等方面。
2、无损检测方面
       太赫兹波技术可用于探索航天飞机失事原因的研究方面。
3、医学方面
       癌变组织和正常组织的太赫兹波在振幅、波形和时间延迟等多个方面均有明显的区别,我们可以从中进行突破进而得出肿瘤的形状及其大小。
4、生物、环境监测方面
        由于生物大分子的振动和转动能量都是处于太赫兹波段的,因此,可通过太赫兹辐射技术最后得到DNA的重要信息。这对于优良菌种的选择、粮食选种等方面起到了非常重要的作用。另外,因为太赫兹辐射可以穿透烟雾,所以也可用于监测有害甚至是有毒分子,在环境监测及日常保护方面都发挥了至关重要的作用。
5、军事通信方面
       太赫兹波若是应用于通信方面,可获得10基于二维光子晶体多通道太赫兹波解复用器的无线传输速度。这是目前的超宽带技术速度的百至上千倍;就是同可见光和红外线进行比较,它不仅在云雾穿透能力方面优势明显,同样具有极强的方向性。因此,太赫兹波通信是可以利用其带宽的绝对优势进行高保密卫星通信。
6、对新一代IT产业的影响
       当前社会,已有许多来自世界各地的公司在从事有关太赫兹技术商品化的工作。在英国,剑桥大学孵化了TeraView LtD.另外,英国还同欧洲联合建立了ThruVision公司。在美国,有一部分大学孵化了Picometrix、Calabazas Creek Res.Inc、Phycical science Inc.等公司。与此同时,在日本,同样也有很多公司加入到有关太赫兹技术的研发及其商业化的工作中来。照此趋势,可预见在不久的将来,太赫兹辐射源、检测技术等一旦取得一定程度的发展,太赫兹技术将在IT领域的竞争力不容忽视。

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