基于超材料間相互作用的太赫茲動態調制器

萬彭倩，文天龍，張懷武

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都，610054）

0 引言

太赫茲波(Terahertz wave，THz wave)是指頻率在0.1～10 THz(1THz=1012Hz)，波長在 0.03～3 mm 范圍內的電磁波。其作為微波和紅外波中間的電磁波頻段[1]，具有許多獨特優異的性質，這使其在醫療[2]、成像[3]、通信[4]等方面有廣闊的應用前景且有不可替代的優勢。過去由于合適的太赫茲源的缺乏、探測器研究的不足等問題，嚴重阻礙了太赫茲波相關研究的進展。近年來，隨著半導體技術、激光技術的發展，使太赫茲波的產生和探測變得容易，因此太赫茲相關的研究也得到了快速的發展，特別是在太赫茲波成像、太赫茲波通信、太赫茲光譜學等領域取得了較多的成果。

太赫茲技術的實現離不開理論和基本器件的支撐，但是現有的微波和光波的理論和器件大多都不適用于太赫茲波，因此需要專門研究相關的太赫茲理論和器件。其中太赫茲波的調控器件也是太赫茲波技術急需解決的重要瓶頸技術。阻礙太赫茲器件發展的重要原因是太赫茲波與自然界存在的物質相互作用較弱，在自然界中很難找到合適的器件所用材料[5]。為了解決這個問題，具有數十微米尺寸的人造太赫茲超材料[6]經常使用在太赫茲波調制器件中，通過這些超結構增強太赫茲波與材料之間的相互作用。這里可以通過改變超結構的形狀、尺寸以及介電環境等相關材料參數來實現不同的電磁性能。其中最常見的結構有具有LC諧振特征的開口諧振環[7]（Split Resonate Ring,SRRs）和具有偶極諧振特征的微米金屬條。

目前使用超結構對太赫茲波的幅度進行動態調制的方法包括：（1）通過外部激勵改變超結構所處的介電環境，對諧振頻率進行調諧[8]；（2）通過外部激勵重構超結構，讓超結構的諧振模式發生改變[9]；（3）通過MEMS改變超結構的結構參數[10]等等。這些傳統的方法從太赫茲超材料本身的諧振出發，對太赫茲波進行動態調制。除此之外，超材料與超材料之間的相互作用也會嚴重影響超材料與太赫茲波之間的電磁響應[11]。在非對稱的SRR陣列中已經觀察到超材料之間強烈的耦合作用，這可能會很大程度上影響超材料陣列與太赫茲波的相互作用。因此，通過設計調節超材料之間的相互作用也是調制太赫茲波幅度和相位的另一種有效方法。

本文設計了一種基于超材料相互作用的太赫茲動態調制器。將具有LC諧振特征的雙U型超結構和具有偶極諧振的微米金屬條制作成耦合結構，通過對雙U形環超材料與微米金屬條之間的相互作用進行調控，實現對透射的太赫茲波幅度和相位的動態調制。這里相互作用調控的方式是通過溫度[12]和電壓[13]控制U形環開口處二氧化釩的電導率，從而實現對太赫茲波的動態調制效果。通過與只有雙U型環超結構對太赫茲波調控的對比，發現通過金屬條對相互作用的調控，可以獲得更好的太赫茲波調制效果。

1 器件的設計、仿真與制作

二氧化釩是一種可以從絕緣態轉換為金屬態的金屬氧化物，其相變溫度為68℃。這里，在雙U型太赫茲波的開口處使用二氧化釩對超材料了進行動態調制。當對樣品進行加熱時，雙U形環開口處的二氧化釩隨著溫度的升高，會逐漸從絕緣態轉換為金屬態，使其電導率和介電常數發生較大的變化，從而實現對太赫茲波的動態調制。

超材料陣列是太赫茲調制器的主要單元，其結構的尺寸直接決定了調制器的工作頻率。本文所設計的太赫茲超材料的基本單元的俯視示意圖如圖 1所示。其中太赫茲波垂直入射到超材料表面并穿過器件，電場方向平行于金屬短條，Px= 9 6μ m, Py=180μm 。仿真中采用的是三維電磁仿真軟件CST中的頻域求解器進行求解，使用Floquet boundary周期邊界條件約束，通過S21參數進行超材料的透射率分析。

圖1 太赫茲超材料基本結構單元的俯視示意圖

如圖1所示，每一個U形環的中間通過一小段金屬條與叉指電極相連，從而可以通過對叉指電極上施加電壓對二氧化釩的電阻率進行調控。通過在雙U形開口的超材料的旁邊放置一條金屬條如圖1（a），實現對雙U形開口的超材料諧振的控制，開發出基于超材料間相互作用的太赫茲波調制器件。圖1（b）作為對比，僅使用雙U形環對太赫茲波進行調制。通過調節圖1中的幾何參數，將太赫茲波諧振的頻率調節到0.2-0.8 THz之間。

對超材料陣列的基本結構單元仿真完成后，通過微細加工工藝完成了太赫茲調制器的制作。操作步驟如下：

1)使用高分子輔助沉積法在藍寶石基底上沉積一層110μm厚的二氧化釩薄膜；

2)使用丙酮、酒精、去離子水對樣片進行清洗，并使用正性光刻膠進行第一次光刻，其具體操作步驟如圖2所示；

大數據網貸平臺利用政策上的漏洞，打政策的“擦邊球”，面臨著極大的監管政策風險。未來，相關部門可能更多地從放貸金額、服務群體、融資比例等方面來規范小貸公司的業務范圍。在融資比例上，相關文件只是規定從銀行等金融機構的融資比例不得超過50%，而對其他渠道融入資金比例并沒有明確，隨著行業不斷發展，相關監管政策也會規定得更加明確、更加細致。這些監管政策的改變，都可能給網貸平臺發展帶來一定的風險。

圖2 光刻步驟示意圖

3)用光刻膠做掩膜，使用DRIE對樣品進行干法刻蝕，并完成清洗，進行第二次光刻，此次使用反性光刻膠；

4)用光刻膠做掩膜，使用磁控濺射系統在樣品表面濺射一層20nm/220nm的鉻/金薄膜；

5)剝離光刻膠之后形成超材料陣列和電極區域，在左右兩側的電極區域接出導線，并將其固定在訂做的電路板上，完成太赫茲調制器的制作。其光學顯微鏡圖如圖3所示。

圖3 樣品的光學顯微鏡圖

2 結果與討論

2.1 CST仿真結果與分析

圖4給出了雙U形超材料和金屬條共同作用下，太赫茲波透射率隨頻率變化的仿真結果。如圖4中黑線所示，可以看到在二氧化釩相變前（高電阻狀態），太赫茲超材料有兩種諧振模式，諧振頻率分別為0.55THz和0.728THz。在兩個諧振頻率之間存在一個高透明的窗口，其最大的透射率對應的頻率為0.618THz。而二氧化釩相變后（圖4中紅線所示），兩個諧振頻率分別發生紅移至0.368THz和0.605THz。高透明窗對應的諧振峰移至0.457THz。

圖4 雙開口U形環和金屬條組成的超材料基本單元的CST透射譜仿真結果

為了研究雙開口U型環與金屬條之間的相互作用對超材料電磁特性的影響，我們也分別對雙開口U形環超材料和金屬條的透射譜做了仿真，結果如圖5所示。可以明顯的看到雙開口U形環超材料可被入射電場直接激發，在二氧化釩相變前和相變后均為單頻諧振，且在諧振頻率處透射率均小于10%。其相變前諧振頻率為0.54THz，相變之后諧振頻率紅移0.15THz。金屬條的仿真透射譜如圖5中的黑線所示，也是單頻諧振，諧振頻率為0.582THz，且其諧振頻率不受二氧化釩相變特性的影響而移動。

圖5 雙開口U形環和金屬條超材料各自的CST透射譜仿真結果

通過對比，不難發現金屬條與雙開口U形環超材料之間的相互作用對超材料電磁性能的影響非常大。金屬條與雙開口U形環超材料之間組成的諧振單元的諧振峰，不是雙開口U形環和金屬條各自諧振峰的簡單疊加。從后面對諧振點處的電場分析，我們可以看到，通過超材料間的相互作用，雙開口U形環和金屬條的諧振在相互作用下具有與各自獨立單元不同的諧振模式。比如金屬條獨立與太赫茲波作用時，其諧振峰與二氧化釩的電導率無關。而金屬條和雙開口U形環超材料共同與太赫茲波相互作用時，金屬條固定的偶極諧振頻率就不存在了，而是隨二氧化釩電導率的變化發生了巨大的變化。

為了進一步分析二氧化釩相變前后雙開口U型環與金屬條組成的超材料陣列諧振模式的變化，以及獲得超材料透明窗口的產生機理，這里我們對相變前后諧振點處和透明窗口頻率處表面電流做了仿真分析，如圖 6所示。

圖6(b)為超材料在二氧化釩相變后的表面電流仿真圖。可以看出在諧振點處金屬條和雙開口U形環的諧振模式均可等效為偶極諧振。不同的是，在0.368THz諧振頻率處，雙開口U形環的電流密度強于金屬條；但在0.605THz諧振頻率處，金屬條的電流密度更強。透明窗口處金屬條的表面電流也為明顯的偶極諧振特性；雙開口U形環結構的表面電流均沿結構表面振蕩，也可等效為偶極諧振。不同的是，金屬條和雙開口U形環結構表面的電流方向相反，且密度相當，會產生相消的電磁輻射場。因此透明窗口可以看成是明-明模式耦合的電磁誘導透明現象引起的。

圖6 超材料諧振點處和透明窗口頻率處的表面電流分布圖

2.2 溫度和電壓對太赫茲波的調制結果測試

為了驗證超材料單元對太赫茲波的調制結果，我們使用Fico太赫茲時域光譜系統對樣品進行測試，獲得太赫茲波的時域譜。測試溫度為20℃，濕度小于10%。通過快速傅里葉變換獲得太赫茲波脈沖的頻域譜，并且以空氣作為參照，可以獲得太赫茲波的透射譜。這里，我們通過兩種方法激發二氧化釩的相變，即通過升高樣品的溫度和通過叉指電極對上開口處的二氧化釩加載電壓。

圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測試結果(a)所示為通過升溫測試得到的雙開口U形環和金屬條的透射譜。圖中黑線為金屬條超材料的測試透射譜，其諧振頻率為0.592THz,調制深度為74%。圖中藍線為二氧化釩相變前即在313K溫度下測得的雙開口U形環的透射譜，其諧振頻率0.583THz。紅線為雙開口U形環超材料在溫度為353K時測試得到的透射譜，可以看到其在二氧化釩相變后諧振頻率為0.389THz。這與仿真結果相比，基本一致。

當把金屬條和雙開口U形環結果放在同一周期單元時，在不同的溫度下，測得的透射譜如圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測試結果(b)所示，其透射率較加入金屬條之前基本不變。313K溫度下，測得的諧振頻率0.539THz和0.707THz。隨著溫度的升高至353K時，二氧化釩發生相變，測試得到的諧振頻率為0.4THz和0.6THz。與仿真結果相比，較高諧振頻率基本一致，但是較低諧振頻率即0.4THz諧振峰藍移了0.03THz。這可能是微細加工過程中受加工儀器精度影響，制作的超材料結構尺寸較仿真有細微的差別，但總體上，基本一致。

圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測試結果

圖8為在叉指電極施加不同電壓時所測得的太赫茲超材料的透射譜。可以看到超材料在未加電壓時，諧振頻率為0.54THz和0.716THz，其諧振譜與二氧化釩相變前的諧振譜對應。當逐漸提高電壓加至4.3V時，二氧化釩發生完全相變，諧振峰頻率移動至0.39THz和0.61THz。這與仿真和溫度測試結果均相符。

圖8 太赫茲超材料在施加不同電壓時的測試結果

綜上分析，文中所設計的太赫茲超材料可以實現溫度和電壓兩種方式的動態調控，且調制結果與仿真結果基本一致，調制深度最高可達到80%。在金屬條超材料引入后，與雙U形環超材料產生了相互作用，在不改變諧振峰透射率的情況下，太赫茲超材料在二氧化釩相變之后實現了電磁誘導透明現象。

3 結束語

本文通過升溫和外加電壓的方法對太赫茲調制器進行了動態調控。在二氧化釩相變前，金屬條的加入，與雙U形環超材料之間發生了相互作用，形成了雙頻諧振；在二氧化釩相變后，實現了EIT現象，測試透射譜中的透明窗口透射率高達70%。