太赫兹(0.1-10 THz)电磁辐射兼具电子学与光子学特色,在通信与信息工程、生物医学、天文学、无损检测等众多领域显示出重要的科学价值以及广阔的应用前景。太赫兹功能器件是太赫兹系统中的关键组成部分,太赫兹功能器件完善与发展对于推动太赫兹技术的应用至关重要。在众多太赫兹功能器件中,太赫兹调制器一直以来都是重要研究热点。尤其是近年来随着信息数据量呈现爆炸式增长,太赫兹通信技术凭借其丰富的频谱资源以及高通信速率特点在无线通信领域表现出明显优势,太赫兹调制器作为系统中的关键部件因而备受关注。然而,现阶段太赫兹调制器件面临调制速率低且结构复杂、难以集成的技术难点。为此,在本文中重点围绕结构紧凑、低复杂度的片上集成高速太赫兹调制器展开研究。提出了几种不同结构类型的传输线型片上太赫兹调制器,在理论分析基础上,完成了模拟研究以及实验测试验证。论文的研究工作对于推动太赫兹调制器的发展与应用具有重要的作用,本论文的主要内容和创新点如下:1、针对太赫兹系统小型化的发展需求,将超薄双侧金属光栅与二氧化钒(VO2)相变材料相结合,提出了基于可调仿表面等离子体激元(SSPPs)的片上太赫兹波幅度调控方案。利用VO2绝缘-金属态转换,控制双侧金属光栅结构中SSPPs传输特性,进而实现对太赫兹波的幅度调控。在此研究过程中,提出了基于光栅结构重构的SSPPs幅度调控以及占空比重构的SSPPs幅度调控两种不同方式。详细分析了两种方案的调控机理,研究了两种结构形式中光栅结构参数变化对SSPPs的色散特性、群速以及传输特性的影响。利用矢量网络分析仪,通过外加激励诱导复合结构中VO2发生相变,初步验证了基于SSPPs的太赫兹波幅度调控的有效性。测试结果与模拟结果同时表明两种方案都能够在0.22 THz-0.28 THz频率范围内实现超过10 d B的调控深度。2、针对现有准光太赫兹调制器件速率难以提升的技术问题,同时兼顾片上化、低功耗系统需求,提出了一种基于微结构嵌套高电子迁移率晶体管(HEMT)的微带线型太赫兹波幅度调制器。将微结构单元与HEMT嵌套,形成可通过外加电压控制的复合调制单元,利用外加电压信号实现对微带线上传输的太赫兹波的高速调制。通过理论分析与模拟研究,研究了调制单元电磁响应特性以及器件的整体性能。制备了系列太赫兹片上调制器实验测试芯片。通过矢网以及外加直流电压控制,逐一完成静态测试,并对微结构谐振特性与调制器性能进行了详细对比分析。在此基础之上,搭建了0.34 THz的动态测试系统。测试结果表明,采用该技术方案的调制器件可有效实现片上太赫兹波幅度调控,且具备20 GHz的高速调制能力,相较于目前广泛研究报道的太赫兹准光型调制器,调制速率得到极大地提升。3、针对微带线传输损耗过大问题,研究了太赫兹鳍线传输系统以及鳍线加载微结构时片上太赫兹波传输特性。基于互补开口谐振环的电谐振与开口谐振环的磁谐振响应特性,提出了一种适合鳍线传输线的片上吸收器件。理论分析和模拟研究了该片上太赫兹吸收器吸收特性,研究表明在0.213 THz频点吸收系数达到98.76%。通过研究结构参数不同的谐振环对数目对于拓展吸收带宽的规律,构建了6个谐振环对形成的片上吸收器以实现带宽拓展。实验测试到鳍线传输线在太赫兹频段具有较小的插损,且单个互补谐振环对的吸收系数达到74.68%;6个互补谐振环对的吸收器测试结果表明,在带宽10 GHz的范围内,吸收系数可达90%以上,表明通过增加谐振环对数目能有效拓展吸收器工作带宽。4、提出了基于鳍线加载二极管动态微结构的片上太赫兹波调制器,将嵌套有砷化镓(Ga As)二极管的微结构谐振单元引入到传输线中,实现了片上传输太赫兹波幅度的动态调制。研究了微结构的电磁谐振特性以及调制器件整体性能,并通过静态测试与模拟研究建立了可靠的物理研究模型。利用微结构加载单个二极管的调制器搭建了0.22 THz动态测试链路,测试结果表明该调制器件具有20 GHz的高速调制能力,且具有良好的带内平坦度。构建了基于直接调制的太赫兹通信系统并进行了眼图测试以及误码率测试。背靠背测试系统结果表明该调制器可实现10Gbps以上的数据传输能力,且在通信速率为10 Gbps时,误码率可达到2.617e-11。搭建了太赫兹无线通信系统,在现有实验配套器件条件下,目前测试到最高速率为4 Gbps,初步验证了该器件可应用于太赫兹无线通信系统中。