今天和明天的太赫兹微腔谐振器
关键的外卖
微波光子学电路元件需要与其射频类似物相似，以提供所需的功能。
其中一个类似的电路元件是太赫兹微波腔谐振器，它可以通过标准CMOS工艺集成到集成电路上。
这是可以放置在集成电路上并用于实现独特应用的众多电路元件之一。
这些光纤很快将作为微波线集成到半导体晶圆中，与太赫兹微腔谐振器等独特的电路元件进行通信。
微波炉的部件比微波炉里的东西要复杂得多。太赫兹波源、探测器和组件尚未小型化，微波频谱的太赫兹部分仍在很大程度上未被探索。到目前为止，我们能做的最好的是进入高GHz(低太赫兹)区域进行振荡、检测和波操纵。这一区域对许多应用都至关重要，包括量子计算、成像、传感和超高速通信。
其中一组基本组件是太赫兹微腔谐振器。这些组件是一个更大的光子学平台的一部分，它们发挥类似于PCB上的射频谐振器的作用。这些谐振器的简单几何结构也允许它们与其他光子结构一起放置在芯片上。如果你是一名崭露头角的光子学工程师，请继续阅读，了解更多关于这些谐振器结构的信息，以及它们如何在当前和未来的光子学系统中发挥作用。
什么是太赫兹微腔谐振器?
就像任何其他谐振器一样，太赫兹微腔谐振器的基本频率位于太赫兹区域。在波长方面，空气中的1 THz波的波长只有300微米，这与今天的晶体管相比是相当大的。这些结构也提供相同的功能;它们允许与基频或其谐波之一匹配的波激发高q共振，从而在腔中形成驻波。
就像弦上的波或波导中的波一样，由于腔内的建设性干涉，这个本征频率之一的驻波将具有非常高的强度。这种结构中非常强，非常相干的电磁波可以用于其他用途。使用这些结构的挑战是波的产生和检测，这两个问题都需要解决，才能使太赫兹微腔谐振器在芯片级上有用。
几何和特征频率
下图显示了一个简单的矩形太赫兹微腔谐振器及其离散特征频谱。特征频率可以通过调整几何形状调谐到所需的值，就像任何其他谐振器一样。下面的方程适用于一个封闭的矩形腔，并提供了一个轻微损耗腔(即在边缘具有高介电常数对比度)的良好的第一近似。
矩形太赫兹微腔谐振器几何结构和特征频率。
虽然上面显示的是矩形几何，但更复杂的结构可能用于不同的应用。在具有开放边缘的不同结构(如圆形、半球形或圆柱形)中，特征频率可能不服从这样一个简单的方程。相反，它们可以从一个超越方程的色散关系中确定，这需要数值技术来提取特定的频率。这是求解波导和谐振器中的Sturm-Liouville问题的一个著名方法。
如果你有一个更复杂的结构，不能近似为一个简单的形状，各种本征频率和电磁场的空间分布可以确定使用三维场求解器(FDFD技术)。通常用于IC封装的场求解器也可以用于太赫兹微腔谐振器的建模。
应用程序
太赫兹微腔谐振器的应用仍在研究中，不同应用所需的设备架构也在研究中。太赫兹微腔谐振器的一些建议应用包括:
传感和成像:高q太赫兹微腔谐振器可用于高相干成像和传感，应用于分子检测和生物成像。
硅光子学:虽然这一应用领域通常是根据SMF或MMF波长进行讨论，但该领域的设备也可以在太赫兹频率下工作，并且需要太赫兹微腔谐振器作为滤波器和放大器。
通信:目前，最高数据传输速率的世界纪录属于一个在太赫兹频率下运行的实验性无线系统。在芯片级别上小型化这些系统将需要微腔结构，包括太赫兹微腔谐振器。
这些结构的重要进步是它们可以出现在集成电路上。今天，这些应用仍然涉及大型光学系统，其中飞秒孤子激光器中的红外模式梳被用于通过干涉产生太赫兹波。类似地，大型系统也用于太赫兹波的探测和操纵。太赫兹微腔谐振器是一类可以提供太赫兹频率的高q或低q接收的元件，然后可以将其传递给探测器元件或其他光子电路。
材料的平台
用于构建太赫兹微腔谐振器或构建耦合结构的有用材料的范围也是一个开放的研究问题。用于太赫兹微腔谐振器的一些材料平台包括:
硅:这种材料在制造太赫兹器件及其与其他电子电路集成方面最有前途。
GaAs，其他III-V和II-VI:这组有前途的光子材料已经在~3太赫兹频率下显示出有趣的结果，特别是在激光的产生方面。这种材料平台在一般光子学中很有前途。
光子晶体:通过化学沉积方法制造的周期性纳米结构为制造一系列太赫兹器件提供了可调平台，包括太赫兹微腔谐振器。
介电材料:这一广泛的材料包括氧化物、盐、聚合物和其他可以支持在各种太赫兹频率范围内传输或吸收的材料。为集成在美国，最好的一套材料应该能与该行业目前的半导体系列相结合。
微腔谐振器材料应选择集成到现有的半导体材料平台和制造工艺。
随着您的技术和设计在未来几年进入更先进的空间，更先进的软件可以导航太赫兹组件的细微差别和挑战将是必要的。确保充分准备，因为你保持在频率曲线的前面。