相變材料與超表面復合結構太赫茲移相器*

龍潔 李九生

(中國計量大學 太赫茲研究所, 杭州 310018)

利用相變材料嵌入超表面組成復合結構實現太赫茲移相器, 該器件自上而下依次為二氧化釩嵌入金屬層、液晶、二氧化釩嵌入金屬層、二氧化硅層.通過二氧化釩的相變特性和液晶的雙折率特性同時作用實現對器件相位調控.隨著外加溫度變化二氧化釩電導率發生改變, 器件的相位隨之產生移動, 同樣的對液晶層施加不同的電壓導致液晶折射率發生變化, 器件相位也會有影響.經過這兩種介質共同作用, 最終實現對太赫茲波相位有效調控.仿真結果驗證了該相移器在頻率f = 0.736 THz 時, 太赫茲移相器的最大相移量達到355.37°, 在0.731—0.752 THz (帶寬為22 GHz)頻率范圍相移量超過350°.這種基于相變材料與超表面復合結構為靈活調控太赫茲波提供了一種新思路, 將在太赫茲成像、通信等領域有著廣泛的應用前景.

1 引 言

近年來, 太赫茲技術在通信、安檢、成像、光譜、生命醫學、無損檢測等領域有著越來越廣泛應用[1?3], 各類太赫茲波調控器件也層出不窮[4?10],這些器件主要集中對太赫茲波的頻率、幅度和偏振態進行控制.而作為太赫茲波重要參量之一的相位也逐漸成為熱門研究課題, 因此開展太赫茲波段的移相器研究就顯得意義重大.當前, 國內外對太赫茲移相器研究已有部分報道如: 2004 年, Chen等[11]提出了由石英-液晶材料-石英結構的液晶磁控太赫茲移相器, 在頻率為1 THz 時最大相移量為360°.2011 年, Grigoryeva 等[12]提出一種電磁雙可調移相器, 構造的六鐵氧體-鐵電層狀結構可以被用作移相器的波導元件.2016 年, Han 等[13]借助超材料設計了一種雙層偶極子諧振結構太赫茲波移相器, 實現了90°的相位延遲.同年, Chodorow等[14]提出一種氧化銦錫-光柵復合結構太赫茲移相器, 該移相器由石英-氧化銦錫電極-液晶-氧化銦錫電極-石英依次組成, 在f= 2.5 THz 處實現最大相移量為180°.2018 年, Ibrahim 等[15]利用機械方式驅動可調式完美磁導體, 通過壓電致動器與微細加工組裝形成一個移相單元, 實現380°相移.2019 年, Inoue 等[16]研究了一種聚合物-液晶復合結構太赫茲移相器, 通過改變聚合物濃度來控制相移量之間的平衡, 可以在頻率為0.4 THz 處實現30°相移量.同年, Ji 等[17]利用鐵磁液晶材料研制了一種偏振轉換太赫茲移相器, 通過調節外加磁場大小來實現相位延遲, 實驗結果表明該移相器在f= 1.45 THz 能夠實現180°相移.然而上述報道的太赫茲移相器往往需要較大的介質厚度才能實現, 且不易于外部調控.

本文設計了一種相變材料嵌入超表面的復合結構實現太赫茲移相, 該器件自上而下依次為二氧化釩嵌入金屬層、液晶、二氧化釩嵌入金屬層、二氧化硅層.通過改變外加溫度使二氧化釩電導率發生改變, 使得太赫茲波傳輸通過器件的相位也隨之產生變化, 最終實現太赫茲波相位有效調控.當頻率為0.736 THz 時, 太赫茲移相器的最大相移量達到355.37°, 在0.731—0.752 THz (帶寬為22 GHz)頻率范圍相移量超過350°.該太赫茲移相器具有器件結構尺寸小、相移量大、便于調控等優點.

2 太赫茲移相器結構

本文提出的相變材料嵌入超表面組成復合結構太赫茲移相器三維結構如圖1(a)所示, 其結構單元如圖1(b)所示, 從上到下依次為二氧化釩嵌入上超表面復合結構(上金屬層)、液晶層、二氧化釩嵌入下超表面復合結構(下金屬層)、二氧化硅基體.金屬銅的電導率可表示為σcopper= 5.8 × 107S/m[18], 金屬銅(黃色標注)和二氧化釩(橙色標注)的厚度均為0.2 μm, 二氧化硅基體的相對介電常數為ε= 3.9, 其厚度為40 μm.液晶層厚度為20 μm.二氧化釩嵌入上超表面復合結構(上金屬層)如圖1(c)所示, 上層二氧化釩構造了二氧化釩雙矩形結構, 相應尺寸參數為: 單元周期為P=110 μm,L1= 70 μm,L2= 25 μm,h1= 60 μm,

圖1 (a)相變材料(二氧化釩)嵌入超表面組成復合結構太赫茲移相器示意圖; (b) 太赫茲移相器單元三維結構;(c)二氧化釩嵌入超表面復合結構(上金屬層); (d) 二氧化釩嵌入超表面復合結構(下金屬層)Fig.1.(a) Schematic diagram of the proposed terahertz phase shifter based on vanadium dioxide embedded metasurface composite structure; (b) three-dimensional structure diagram of unit cell; (c) vanadium dioxide embedded metasurface composite structure (i.e.top layer); (d) vanadium dioxide embedded metasurface composite structure (i.e.bottom layer).

h2= 15 μm.二氧化釩嵌入下超表面復合結構(下金屬層)如圖1(d)所示, 矩形缺口金屬銅層嵌入U 形結構二氧化釩, 相應尺寸參數為:L3= 70 μm,h3= 40 μm,L4= 30 μm.由于頂層二氧化釩嵌入上超表面復合結構直接暴露空氣中, 可以通過激光擴束輻照控溫方法對頂層二氧化釩的溫度進行調控.對于加工在二氧化硅基體上的下層二氧化釩嵌入表面復合結構可以通過從底部輻照擴束激光對下層二氧化釩的控溫.最終整個相變材料嵌入超表面組成復合結構太赫茲移相器的相移量可以通過上下兩路擴束激光進行切換控制.本文采用CST Studio Suite 軟件進行器件仿真.

3 計算結果與討論

二氧化釩作為一種相變材料, 外加溫度發生改變時其電導率也隨之發生變化.當溫度低于相變溫度68 ℃時, 二氧化釩為高阻態, 相對介電常數為εi= 9; 當溫度高于相變溫度68 ℃時, 二氧化釩變為高導態, 在太赫茲頻段內實現從電介質到金屬態的轉變[19].其相對介電常數可以用Drude 模型來描述[20]:

式中ωp表示等離子體的角頻率,εi=ε∞= 9, 有效質量m* = 2me,me是自由電子質量, 載流子密 度N= 8.7 × 1021cm–3, 載 流 子 遷 移 率μ=2 cm·V–1·s–1, 二氧化釩相變前后的電導率分別為

σ= 200 S/m 和σ= 2 × 105S/m.本文所采用的液晶仿真參數分別為no= 1.52 和ne= 1.78[21].

3.1 初始條件為上層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 10 5 S/m), 下層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 液晶折射率no = 1.52

為了探究二氧化釩電導率對移相器的相移量影響, 設定入射太赫茲波為x偏振態, 設置液晶初始折射率為no= 1.52 (無外加電壓), 最后隨著二氧化釩介質發生相變, 液晶折射率也在外加電場條件下最終變為ne= 1.78 (有外加電壓)[21].首先研究初始條件為上層VO2高導態(即金屬態, 電導率σ= 2 × 105S/m), 下層VO2高阻態(即絕緣態, 電導率σ= 200 S/m)隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2高導態, 下層VO2高導態時太赫茲移相器的相移情況.數值計算得到太赫茲移相器的相移和透射曲線分別如圖2(a)和(b)所示.由圖2(a)可以看出, 所設計的太赫茲移相器在0.732—0.75 THz(帶寬為18 GHz)頻段范圍產生相移量大于350°, 且該頻段范圍內相移量呈線性變化, 在頻率f= 0.741 THz 處實現最大相移量357.2°.從圖2(b)可以看出, 在該頻段范圍內不同電導率下太赫茲波透射率變化趨勢較穩定, 太赫茲波透射系數大于0.75.

3.2 初始條件為上層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 下層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 105 S/m), 液晶折射率no = 1.52

本節研究分析初始條件為上層VO2高阻態(電導率σ= 200 S/m), 下層VO2高導態(電導率σ= 2 × 105S/m)隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2高導態, 下層VO2高導態時太赫茲移相器的相移量, 此時液晶折射率變為1.78.數值模擬計算得到太赫茲移相器的相移曲線和透射曲線分別如圖3(a)和(b)所示.由圖3(a)可以看出, 所設計的太赫茲移相器在0.73—0.734 THz (帶寬為4 GHz)頻段范圍產生相移量大于350°, 而且在頻率f= 0.731 THz 處最大相移量為359.3°.太赫茲波穿過移相器的透射系數如圖3(b)所示, 在該頻段范圍內太赫茲波透射系數大于0.75.

3.3 初始條件為上層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 下層VO2 高阻態, 液晶折射率no = 1.52

研究分析初始條件為上層VO2高阻態(電導率σ= 200 S/m), 下層VO2高阻態隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2高導態(電導率σ=2 × 105S/m), 下層VO2高導態時太赫茲移相器的相移情況, 此時液晶折射率變為1.78.數值模擬計算得到太赫茲移相器的相移曲線和透射曲線分別如圖4(a)和(b)所示.所設計的移相器在0.73—0.734 THz (帶寬為4 GHz) 頻段范圍產生相移量350°以上, 該頻段范圍內相移量呈線性變化, 且在f= 0.731 THz 處實現最大相移量359.3°.圖4(b)所示移相器的透射系數保持在0.75 以上,該移相器的太赫茲波透射效果良好.

3.4 初始條件為上層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 105 S/m), 下層VO2 高導態,液晶折射率no = 1.52

圖2 初始條件為上層VO2 高導態, 下層VO2 高阻態, 隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2 高導態, 下層VO2 高導態時太赫茲移相器的相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線; (b)太赫茲波透射系數Fig.2.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high conductivity state of upper VO2 layer and high resistance state of lower VO2 layer.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of upper VO2 layer and high conductivity state of lower VO2 layer: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

圖3 初始條件為上層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 下層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 105 S/m), 隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2 高導態, 下層VO2 高導態時太赫茲移相器的相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線; (b)太赫茲波透射系數Fig.3.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high resistance state of upper VO2 layer and high conductivity state of lower VO2 layer.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

圖4 初始條件為上層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 下層VO2 高阻態, 隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 105 S/m), 下層VO2 高導態時太赫茲移相器相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線; (b)太赫茲波透射系數Fig.4.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high resistance state of both upper and lower VO2 layers.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

研究初始條件為上層VO2高導態(電導率σ= 2 × 105S/m), 下層VO2高導態隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2高阻態(電導率σ=200 S/m), 下層VO2高阻態時太赫茲移相器的相移情況, 此時液晶折射率變為1.78.數值模擬計算得到太赫茲移相器的相移曲線和透射曲線分別如圖5(a)和圖5(b)所示.所設計的移相器在0.73—0.752 THz (帶寬為22 GHz) 頻段范圍產生350°以上的相移量, 該頻段范圍內相移量呈線性變化, 且在f= 0.731 THz 處實現最大相移量352.6°.由圖5(b)可以看出, 太赫茲波透過移相器的透射系數大于0.75.相比圖2—圖4 所示上下兩層二氧化釩不同狀態下的太赫茲波相移曲線, 可以看出4 種組合狀態下所設計移相器的相移量和透射系數均達到預期目標, 但是當上下兩層結構的二氧化釩均呈高導態時, 移相頻段范圍增加至22 GHz.

上下層超表面嵌入的二氧化釩均呈高導態時,移相器上下層超表面結構的電場能量分布如圖6所示.由圖6(a)可以看出, 電流主要集中在上層金屬結構的上下兩個邊緣處和下層二氧化釩邊緣處,而上層二氧化釩和下層金屬電流較弱.由圖6(b)可以看出, 電場能量在上下金屬結構邊緣處均有分布, 還有一部分電場能量集中在上層二氧化釩位置, 另一小部分電場能量集中在下層二氧化釩位置.進一步表明, 此時圖1 中移相器結構表現為雙閉環諧振, 最大移相頻率點位置為0.752 THz, 與圖5 計算結果相吻合.研究分析了二氧化釩電導率變化時該移相器中的相移曲線, 如圖7 所示.當電導率從200 S/m 逐漸變化到2 × 105S/m 時, 移相器的相移范圍逐漸變寬, 帶寬可以由2 GHz 拓寬至22 GHz, 而相移量只發生輕微改變.

圖5 初始條件為上層VO2 高導態(電導率σ = 2 × 105 S/m), 下層VO2 高導態, 隨著外部溫度改變最終條件為上層VO2 高阻態(電導率σ = 200 S/m), 下層VO2 高阻態時太赫茲移相器相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線; (b)太赫茲波透射系數Fig.5.Phase shift curve and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers.With the change of external temperature, the final conditions are high resistance state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift curve; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

圖6 上下層超表面嵌入二氧化釩均呈高導態時, 移相器結構上層超表面、下層超表面電場能量分布圖: (a)上層超表面電場能量分布圖; (b)下層超表面電場能量分布圖Fig.6.Electric field energy distribution at top layer and bottom layer, when vanadium dioxide in top and bottom metal layers are metallic state: (a) Top layer; (b) bottom layer.

3.5 改變太赫茲波入射角

圖7 隨二氧化釩電導率變化相移曲線Fig.7.Phase shift curve with the change of vanadium dioxide conductivity.

圖8 當入射角為60°時, 原有最大移相頻率范圍0.72—0.76 THz 內的相移變化Fig.8.Phase shift variation in the original maximum phase shift frequency range of 0.72 THz to 0.76 THz when the incident angle of terahertz wave is 60°.

圖9 當太赫茲波入射角θ = 60°時, 太赫茲移相器的最大移相頻率點相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線;(b)太赫茲波透射系數Fig.9.Phase shift curve and terahertz wave transmission coefficient of the proposed terahertz phase shifter when the incident angle of terahertz wave is 60°: (a) Phase shift curve; (b) terahertz wave transmission coefficient.

圖10 當入射角為80°時, 原有最大移相頻率范圍0.72—0.76 THz 內相移變化Fig.10.Phase shift variation in the original maximum phase shift frequency range of 0.72 THz to 0.76 THz when the incident angle of terahertz wave is 80°.

圖11 當太赫茲波入射角θ = 80°時, 太赫茲移相器的最大移相頻率點相移曲線、太赫茲波透射系數: (a)相移曲線; (b)太赫茲波透射系數Fig.11.Phase shift curve and terahertz wave transmission coefficient of the proposed terahertz phase shifter when the incident angle of terahertz wave is 80°: (a) Phase shift curve; (b) terahertz wave transmission coefficient.

為了進一步分析太赫茲波入射角θ改變對該移相器的移相性能影響, 本文研究了太赫茲波入射角為60°和80°時該移相器的相移量.在太赫茲波入射角度為60°時, 該器件只有大約7°的相移量(如圖7 所示), 移相器的最大相移量和透射曲線如圖8(a)和(b)所示.由圖8(a)可以看出, 二氧化釩從高阻態變化至高導態, 所設計的移相器在1.08—1.16 THz (帶寬為90 GHz)頻段范圍內均能產生300°以上相移量, 相移量呈線性變化, 而且在頻率f= 1.14 THz 處, 實現最大相移量346.3°.與圖5(a)相比較(帶寬為22 GHz), 發現移相頻段范圍有所增加, 但是最大相移量略有下降.圖8(b)所示的太赫茲波透射率與圖5(b) 相比也有所降低.上述分析表明隨著太赫茲波入射角增大, 移相器的最大相移量略有下降, 太赫茲波透射系數也隨之減少.當太赫茲波入射角度為80°時, 該移相器只有大約15°的相移量(如圖9 所示).移相器的最大相移量和透射曲線如圖10(a)和(b)所示.從圖10(a)中可以看出, 移相器在1.3—1.6 THz 頻段范圍內有雙相移頻段效果, 即出現了兩個最大峰值, 第一個峰值在頻率1.37 THz 處產生相移量為316.7°,第二個峰值在頻率1.42 THz 處實現最大相移量322.3°, 而且1.42—1.59 THz(帶寬為160 GHz)頻段范圍內均有300°以上相移量, 相移量呈線性變化.圖10(b)所示太赫茲波透射曲線的變化趨勢與之前平穩的透射曲線大有不同, 透射系數相比圖5(b)大幅降低, 表明太赫茲波入射角度對透射系數有著抑制作用, 為了獲取較好的透射效果, 還需要選取合適的入射角度.圖7—圖11 所示的計算結果也表明太赫茲波入射角對該移相器移相效果產生很大影響.

4 結 論

本文設計了基于相變材料嵌入超表面組成復合結構太赫茲移相器, 通過改變相變材料的溫度能夠對入射太赫茲波相移量進行動態調控.仿真結果表明, 太赫茲移相器在0.731—0.752 THz (帶寬為22 GHz)范圍內均可實現的超過350°相移量.當f= 0.736 THz 時, 最大相移量達到355.37°.改變相變材料的溫度, 能夠實現對太赫茲相移器控制,最大相移量的頻段的范圍從0.73—0.734 THz 變化到0.73—0.752 THz.該相移器具有結構簡單、尺寸小、相移量大等優點, 將在太赫茲波雷達隱身、遙感、成像、探測和通信等領域具有廣闊應用前景.