光控電磁超表面太赫茲調制器的研究

梁蘭菊，閆昕，姚建銓

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津　300072；2. 棗莊學院光電工程學院，山東棗莊　277160)

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光控電磁超表面太赫茲調制器的研究

梁蘭菊1,2，閆昕1,2，姚建銓1

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072；2. 棗莊學院光電工程學院，山東棗莊277160)

[摘要]本論文利用光敏硅的可變電導率特性，設計了一種基于光控的電磁超表面寬帶太赫茲調制器.電磁超表面由金屬薄膜、隔離層以及具有光敏硅的特殊結構組成.光敏硅的電導率從1 S/m變為2×105 S/m時，諧振頻率從1.4 THz 變到1.0 THz, 其反射率從-5 dB變到-38dB，頻移為 0.3 THz，振幅調制深度接近100%，并且電磁超表面的反射率小于-10 dB的帶寬從0變為0.64 THz，實現寬頻帶低反射主要與相鄰結構單元的反射相位差有關系.該電磁超表面結構為大范圍、寬頻帶的太赫茲調制器提供了一種新的思路和途徑，將在通信、國防、成像等方面有重要的應用前景.

[關鍵詞]太赫茲；調制器；光控；寬頻帶

0引言

太赫茲波(Terahertz, 1THz=1012Hz)在寬帶通信、空間探測、醫學診斷等領域具有巨大的作用[1].然而，太赫茲波段的功能材料和器件十分缺乏，特別是太赫茲調制器，存在調制速率低，帶寬窄，調制深度小甚至需要低溫工作等不足，這大大限制了太赫茲波的實際應用.為此，研制高速率，超寬帶，深度大的調制器件成為太赫茲領域最亟待解決的關鍵技術之一，也是國際學術界的重要研究熱點[2,3].

大多數天然材料對太赫茲的電磁響應都及其微弱，很難實現對電磁波自由操控.電磁超表面能夠在任意波段實現理想的等效電磁參數的特性，在太赫茲電磁功能器件獲得了廣泛的應用[4,5].傳統電磁超表面結構由于其固定結構和參數，僅能實現固定的電磁波特性，難以滿足日益靈活的應用需求，因此可控電磁超表面成為一個重要的研究熱點[6,7].特別地，基于光控的電磁超表面太赫茲功能器件由于具有較為簡單的結構以及高速的調控方式，受到了越來越多的關注.

本文提出了一種薄的柔性電磁超表面結構，在不同功率的光控下，諧振頻率從1.4 THz變到1.0 THz, 振幅調制深度接近100 %，反射率小于-10 dB的帶寬從0變為0.6 THz.該結構為設計寬頻段、大范圍的動態調制器件提供了一種新的途徑.

1結構設計與數值仿真

基于光控的太赫茲調制器有三層組成，第一層金屬薄膜，其厚度為200 nm.第二層為中間隔離層聚酰亞胺，聚酰亞胺的厚度h=40μm，其介電常數為3.1，相應的介電損耗為0.05.第三層為電磁超表面結構，其結構單元為兩個金屬方環(“1”)和無金屬結構(“2”)組成，紅色部分為光敏半導體硅.電磁超表面結構周期P=220 μm，金屬線寬為w=5.5μm，金屬方環諧振結構的邊長為L=64 μm，光敏硅的長度為g=8μm，厚度為1μm.

圖1　(a) 調制超表面結構單元,黃色為金屬,紅色為光敏硅,綠色為電介質聚酰亞胺

在仿真中設光敏硅的介電常數為11.7，沒有光照時，其電導率設置為σ=1s/m.光敏硅的電導率會隨著外部光照能量的變化而不同，當光照能量增加時，半導體內的載流子濃度會發生變化，進而影響光敏硅的電導率.

圖2　太赫茲電磁超表面隨著光敏硅不同電導率的特性(a)反射(b)反射相位

圖3　光敏硅(a) σ=1s/m (b) σ=2×105s/m “1”單元與“2”單元的反射相位差

從圖2(a)中看出，當光敏硅的電導率從σ=1s/m變為σ=2×105s/m，反射率小于-10 dB的帶寬從0變為0.64 THz，帶寬范圍從0.74-1.38 THz，諧振頻率從1.4 THz 變到1.0 THz, 最小反射率從-5 dB到 -38 dB，頻移為 0.3 THz，調制深度接近100 %.諧振頻率發生偏移，這主要是因為諧振環的開口處相當于一個電容器，光敏硅的電導率發生變化，會影響超表面的電容率，進而影響電磁超表面的共振頻率.

該調制器隨著光敏硅的電導率發生變化產生一個寬帶頻帶低反射效果，但是反射率小于-10 dB的帶寬并不是隨著電導率的增加一直增加.為了解釋這一原因，本文計算了光敏硅在不同電導率情況下，電磁超表面的反射相位，如圖2(b)所示. 從圖中看出，當光敏硅的電導率變為σ=2×105s/m，其反射相位發生突變，但是隨著硅的電導率進一步增加，其反射相位變化并不大，導致其反射率小于-10 dB的帶寬并不隨著光敏硅的電導率一直減小.為了進一步探討低反射效果，計算了“1”單元與“2”單元在不同電導率情況下的反射相位差，如圖3所示.當光敏硅的電導率為σ=1s/m，其反射相位差在0.2-2 THz 范圍內都很小，最大相位差為50度，因此該電磁超表面反射在此頻帶內都很大.當光敏硅的電導率為σ=2×105s/m，其反射相位差為在0.2-2 THz 范圍內變化較大，在頻率1.0 THz處相位差為180度左右.利用電磁波的干涉相消效果，此時會產生很低的反射效果.假設“1”和“2”兩相鄰單元在電磁波輻射下產生幅度相同的散射電場，總的等效輻射場為：

Er=A.ej.φ1+A.ej.φ2=Aej.φ1(1+ej.(φ1-φ2))

(1)

其中A為表面產生的電場幅度，φ1和φ2分別是“1”和“2”的反射相位.當電磁波垂直入射時，各單元同相情況下的反射場表示為

E0=2A.ej.φ1

(2)

當電磁波垂直入射時，各單元反相情況下的反射場表示為E0=0.

從以上分析結果表明，實現諧振頻率發生偏移的原因主要諧振開口處的電容率發生變化，實現寬頻段低的反射率主要是因為兩相鄰單元的相位差有關系.

為了進一步探討柔性電磁超表面調制特性，改變光敏硅長度g= 6 μm，研究其反射特性，如圖4所示.從圖中可以看出，其諧振頻率處的反射率會隨著電導率的增加而減小，最小反射率約為-32dB，調制深度效果沒有長度較長的光敏硅效果好.這是因為在同樣電導率條件下，其諧振開口的電容率變化不一樣，導致其調制深度并不一樣.但是諧振開口的光敏硅長度變短了，更易調制一些.從圖4看出，在光敏硅的電導率σ=1×105s/m時，其反射率小于-10 dB的帶寬達到0.6 THz.

圖4　太赫茲電磁超表面隨著光敏硅不同電導率的反射特性

2結論

設計了基于一種光敏硅電磁超表面實現了大范圍、寬頻段的調制效果，振幅調制深度接近100%，改變光敏硅的幾何參數，調制條件和深度將會改變.實現寬頻段的調制結果主要是相鄰的兩單元的反射相位差有很大關系，當相位差在很寬的頻段范圍內接近180度，其調制深度會更大，帶寬會更寬.為了設計性能更好的太赫茲調制器，需要綜合考慮光敏硅和電磁超表面的結構以及最佳參數.總之，該結構為設計太赫茲調制器提供了一種新的思路，將在寬帶通信、軍事國防、醫學成像等方面具有重要的應用前景.

參考文獻

[1]P. Dean, A. Valavanis, J. Keeley, et al., Terahertz imaging using quantum cascade lasers-a review of systems and applications [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2014, 47: 374008.

[2]L. Cong, N. Xu, J. Gu, et al., Highly flexible broadband terahertz metamaterial quarter-wave plate [J].Laser & Photonics Reviews, 2014, 8(4): 626-632.

[3]Q. Yang, J. Gu, D. Wang, et al., Efficient flat metasurface lens for terahertz imaging[J]. Optics Express, 2014, 22(21): 25931-25939.

[4]S. Liu, H. Chen, and T. J. Cui, A broadband terahertz absorber using multi-layer stacked bars [J]. Applied Physics Letters, 2015, 106(15): 151601.

[5]S. Busch, B. Scherger, M. Scheller, et al., Optically controlled terahertz beam steering and imaging [J]. Optics Letters, 2012, 37(8):1391-1393.

[6]J. Gu, R. singh, X. Liu, et al., Active control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials [J]. Nature Communications, 2012, 3: 1511.

[7]Q. Li, Z. Tian, X. Q. Zhang, et al., Active graphene-silicon hybrid diode for terahertz waves [J]. Nature Communications, 2015, 6: 7082.

[責任編輯：周峰巖]

Photo-Excited Terahertz Modulator Based on Electromagnetic Metasurface

LIANG Lan-Ju1,2, YAN-Xin1,2,YAO Jian-quan1

(1. College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China；2. School of Opt-Electronic Engineering,Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Abstract:We designed a photo-excited broadband terahertz modulation based on electromagnetic metasurface using the tunable conductivity photosensitive silicon. The metasurface consists of a special structure with hybrid photosensitive silicon and a metallic ground plane that are separated by a dielectric spacer. The resonance frequency can be varied from 1.4 THz to 1.0 THz when the silicon conductivity ranges from 1 S/m to 2×105 S/m, and the reflectivity varies from -5 dB to -38 dB. The frequency shift is 0.3 THz, and the amplitude modulation depth reaches almost 100 % at the resonance frequency. Aband width of reflectivity less than 10 dB for the metasurface is achieved from 0 to 0.64 THz, and the result related to the reflection phase difference of adjacent structure units. The metasurface provide a new approach to achieved wide bandwidth and range terahertz modulation and have the numerous potential applications in the development of broadband communication, military radar, medical image and so on.

Key words：terahertz; modulator; photo-excited; wide bandwidth

[中圖分類號]0441 TB34

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-7077(2016)02-0010-04

[作者簡介]梁蘭菊(1979-)，女，山東菏澤人，天津大學精密儀器與光電子工程學院在職博士后，棗莊學院光電工程學院副教授，博士，主要從事太赫茲人工電磁超表面的研究.

[基金項目]國家自然科學基金(項目編號:61271066);中國博士后科學基金(項目編號:2015M571263);山東省高等學校科技計劃項目 (項目編號:J15LN36);棗莊學院博士基金；棗莊學院“光電科學與技術”科研創新團隊資助的課題.

[收稿日期]2016-01-19