基于復(fù)合超材料的多種結(jié)構(gòu)的太赫茲頻率開關(guān)

陳姍姍, 張 波

太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 首都師范大學(xué)物理系, 北京 100048

引 言

太赫茲(Terahertz, THz)電磁輻射位于[1]微波和遠(yuǎn)紅外區(qū)域之間, 一般是指頻率在0.1～10 THz(1 THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁輻射。 由于其在通信、 成像、 生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)和安全應(yīng)用[2-3]方面的應(yīng)用潛力而受到越來越多的關(guān)注。 但是, 由于太赫茲功能器件的缺失, 導(dǎo)致其尚不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。 因此, 包括調(diào)制器、 濾波器、 吸收器、 光學(xué)開關(guān)、 光學(xué)存儲(chǔ)器等在內(nèi)的太赫茲功能器件亟需取得突破。

太赫茲光譜技術(shù)作為一種無損探測(cè)技術(shù), 能夠反映出被測(cè)物體的物理和化學(xué)信息, 可以探究超材料的頻譜特性, 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)通常分為兩種: 反射式系統(tǒng)和透射式系統(tǒng), 本實(shí)驗(yàn)采用的是透射式太赫茲光譜系統(tǒng)。 該系統(tǒng)頻譜范圍為[4]0～2 THz。

超材料是一種人工的亞波長周期結(jié)構(gòu), 它可以實(shí)現(xiàn)某些自然界中沒有的奇異電磁特性, 包括負(fù)折射率、 基于電磁的隱形特性和完美的吸收特性。 近年來, 人們對(duì)多種超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究, 研究結(jié)果表明, 它們具有廣泛的應(yīng)用前景, 包括吸收器、 調(diào)制器和濾波器[5-10]。 因此, 超材料被廣泛應(yīng)用于各種功能器件, 如生物化學(xué)傳感器、 諧振器[11]、 波導(dǎo)調(diào)制器和吸收器等。 其中, 超材料吸收器在微波波段、 紅外波段、 可見光波段以及太赫茲波段內(nèi)對(duì)入射的電磁波都有完美吸收[12]的現(xiàn)象。 與傳統(tǒng)的電磁波吸收器相比較, 超材料吸收器具有寬帶吸收、 偏振不敏感和入射角度范圍大等特性。 太赫茲波超材料吸收器由金屬諧振腔、 電介質(zhì)層和金屬底層平面3部分組成。 然而, 當(dāng)超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)一旦確定, 就只能在特定的共振頻率產(chǎn)生完美吸收。 因此, 如何調(diào)制超材料吸收器的吸收頻率以及吸收強(qiáng)度引起了人們的廣泛關(guān)注[13]。

在本工作中, 設(shè)計(jì)了三種復(fù)合超材料結(jié)構(gòu), 三種結(jié)構(gòu)分別是單開口的金屬諧振圓環(huán), 單開口的金屬諧振方框和不對(duì)稱雙開口的金屬諧振方框, 在三種結(jié)構(gòu)的開口中填入光敏材料氧化銦。 由于復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)加工工藝復(fù)雜, 使用Computer Simulation Technology(CST)模擬軟件對(duì)這些復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲的調(diào)制特性進(jìn)行了研究, 同時(shí)通過CST軟件對(duì)圓環(huán)和方形結(jié)構(gòu)太赫茲頻率開關(guān)的不同共振頻率的電場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為所提出的復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的晶胞。 該結(jié)構(gòu)是以石英為襯底, 在該基底上加工一層具有一個(gè)開口的金屬諧振圓環(huán), 并在開口處填充光敏半導(dǎo)體材料氧化銦。 復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的具體尺寸為:px=py=100 μm,R=20 μm,w=5 μm,g=5 μm。 金屬諧振圓環(huán)由金制成, 電導(dǎo)率為4.561×107S·m-1。 基底石英的電導(dǎo)率σ=0 S·m-1。 金屬層的厚度t1為0.2 μm, 而石英基底的厚度t2為20 μm, 介電常數(shù)εspacer=3.75。 填充金屬間隙處的光敏半導(dǎo)體氧化銦的介電常數(shù)為εIn2O3=2.0。 當(dāng)復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)沒有受到外激勵(lì)光激發(fā)時(shí), 光敏半導(dǎo)體的電導(dǎo)率相對(duì)與金屬諧振圓環(huán)很小, 相當(dāng)于金屬諧振框上有一個(gè)開口。 因此當(dāng)太赫茲波正入射時(shí)[14], 太赫茲波在金屬框間隙處發(fā)生共振, 特定頻段的太赫茲波會(huì)被吸收。 當(dāng)用一束光子能量高于半導(dǎo)體禁帶寬度的激光激發(fā)復(fù)合超材料時(shí), 填充在間隙處的光敏半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生光生載流子, 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。 當(dāng)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大到接近金屬電導(dǎo)率后, 金屬諧振圓環(huán)間隙處被半導(dǎo)體短路, 使復(fù)合超材料的等效結(jié)構(gòu)改變, 從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波頻譜的調(diào)制。 由于復(fù)合超材料的加工工藝較為復(fù)雜困難, 所以在本論文的研究中, 使用了數(shù)值模擬軟件Computer Simulation Technology(CST)模擬計(jì)算了該復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)在受到外激勵(lì)光激發(fā)時(shí)對(duì)透射的太赫茲波調(diào)制特性。

圖1 金屬諧振圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元示意圖

把復(fù)合超材料中的金屬結(jié)構(gòu)由圓環(huán)改成了方框, 分別設(shè)計(jì)了具有一個(gè)開口和兩個(gè)開口的金屬諧振框, 如圖2(a)和(b)所示, 在一個(gè)開口處填入氧化銦。 圖2(b)的金屬諧振框的兩個(gè)開口是非對(duì)稱的, 一個(gè)開口在金屬諧振框的中央, 另一個(gè)開口距金屬框邊緣位置18 μm, 在該開口填入氧化銦, 可以探究法諾共振。 圖2(a)和(b)超材料結(jié)構(gòu)的具體尺寸為:px=py=100 μm,l=80 μm,w=10 μm,g=5 μm。 金屬諧振框的材料與上述金屬諧振圓環(huán)的材料、 基底材料、 金屬厚度都與圓環(huán)金屬復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)相同, 但是單開口的金屬諧振框的基底厚度t2為96.011 3 μm, 雙開口的金屬諧振框的基底厚度與金屬諧振圓環(huán)的基底厚度相同。

圖2 金屬諧振方框結(jié)構(gòu)單元示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用CST數(shù)值模擬軟件對(duì)本章研究中所提出的復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲透射特性進(jìn)行了研究計(jì)算, 結(jié)果如圖3所示。 圖3(a)為圓環(huán)形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)中氧化銦在不同電導(dǎo)率下的太赫茲頻譜特性。 當(dāng)沒有外激勵(lì)光激發(fā)復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)時(shí), 氧化銦的電導(dǎo)率相對(duì)于金屬來說很低, 因此將氧化銦的電導(dǎo)率設(shè)置為0 S·m-1, 此時(shí)通過數(shù)值模擬計(jì)算, 在太赫茲透射頻譜中0.664 THz處出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的共振吸收峰。 當(dāng)外激勵(lì)光強(qiáng)度逐漸增大, 氧化銦的電導(dǎo)率逐漸增大, 將氧化銦的電導(dǎo)率逐漸設(shè)大。 隨著電導(dǎo)率的逐漸增大, 在0.664 THz處的共振峰的吸收強(qiáng)度逐漸減小, 當(dāng)氧化銦的電導(dǎo)率增大到4 500 S·m-1時(shí), 太赫茲頻譜中在0.664 THz處的共振吸收峰不再出現(xiàn)。 因此, 由圖3(a)可知, 當(dāng)填入的氧化銦電導(dǎo)率逐漸增大, 共振峰的吸收強(qiáng)度逐漸減小, 當(dāng)氧化銦電導(dǎo)率達(dá)到4 500 S·m-1時(shí), 接近金屬超材料的電導(dǎo)率, 金屬諧振圓環(huán)間隙處被半導(dǎo)體短路, 使復(fù)合超材料的等效結(jié)構(gòu)改變, 共振峰不再出現(xiàn)。 這個(gè)過程可以被認(rèn)為是太赫茲波在0.664 THz頻率的動(dòng)態(tài)開關(guān)。 圖3(b)為方框形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)中氧化銦在不同電導(dǎo)率下的太赫茲頻譜特性。 同樣把初始電導(dǎo)率設(shè)置為0 S·m-1, 通過數(shù)值模擬計(jì)算, 在太赫茲透射頻譜中0.348 THz處有一個(gè)很強(qiáng)的共振吸收峰。 隨著電導(dǎo)率的逐漸增大, 在0.348 THz處的共振峰的吸收強(qiáng)度逐漸減小。 圖3(c)為不對(duì)稱雙開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)中氧化銦在不同電導(dǎo)率下的太赫茲頻譜特性。 把初始電導(dǎo)率設(shè)置為0 S·m-1, 通過數(shù)值模擬計(jì)算, 在太赫茲透射頻譜中0.564 THz處有一個(gè)很強(qiáng)的共振吸收峰, 0.968 THz處也有個(gè)共振吸收峰。 隨著電導(dǎo)率的逐漸增大, 在0.564 THz處的共振峰的吸收強(qiáng)度逐漸減小, 而0.968 THz處的共振峰的吸收峰強(qiáng)度沒有明顯變化。 當(dāng)氧化銦的電導(dǎo)率增大到8 000 S·m-1時(shí), 太赫茲頻譜中在0.564 THz處的共振吸收峰[15]不再出現(xiàn), 而0.968 THz處的共振峰依然存在。 這個(gè)過程可以被認(rèn)為是太赫茲波在0.564 THz頻率的動(dòng)態(tài)開關(guān), 但對(duì)0.968 THz的頻率不起作用。 這說明0.564 THz處的共振峰是偏離金屬諧振框中央的間隙產(chǎn)生的, 而0.968 THz處的共振峰是金屬諧振框中央的間隙產(chǎn)生的。

圖3 模擬復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲波透射光譜的結(jié)果

2.2 物理機(jī)理分析

為了進(jìn)一步闡述了該復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波吸收的[16]物理機(jī)制, 通過CST軟件對(duì)太赫茲頻率開關(guān)在不同共振頻率下的電場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。 由圖4可以看到, 當(dāng)電導(dǎo)率為0時(shí), 間隙相當(dāng)于不導(dǎo)通, 間隙處不產(chǎn)生電流, 由于電荷積累, 導(dǎo)致間隙邊緣處具有很強(qiáng)的電場(chǎng), 也就導(dǎo)致了諧振峰的吸收強(qiáng)度非常強(qiáng)。 隨著電導(dǎo)率的增加, 間隙處產(chǎn)生電流且產(chǎn)生的電流越來越強(qiáng), 使間隙邊緣處的電荷積累越來越少, 間隙邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)越來越弱, 諧振峰吸收強(qiáng)度也就越來越弱, 當(dāng)電導(dǎo)率增大到4 500 S·m-1時(shí), 金屬諧振圓環(huán)間隙處相當(dāng)于被半導(dǎo)體短路, 諧振峰不再出現(xiàn)。 方框形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)與圓環(huán)形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)物理機(jī)理類似。 對(duì)共振頻率0.348 THz的場(chǎng)分布進(jìn)行監(jiān)測(cè), 由圖4可以看到, 當(dāng)電導(dǎo)率為0時(shí), 間隙邊緣處場(chǎng)強(qiáng)較大, 隨著電導(dǎo)率的增加, 間隙邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)越來越弱, 這就說明了諧振峰的吸收強(qiáng)度越來越弱。 方框形單開口超材料結(jié)構(gòu)與圓環(huán)單開口超材料結(jié)構(gòu)物理機(jī)理類似, 如圖5, 對(duì)1.138 THz的場(chǎng)分布進(jìn)行研究, 電導(dǎo)率增加間隙邊緣處場(chǎng)強(qiáng)越來越弱。

圖4 圓環(huán)形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)不同電導(dǎo)率下的電場(chǎng)分布

圖5 方框形單開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)不同電導(dǎo)率下的電場(chǎng)分布

圖6表示的是方框形不對(duì)稱雙開口超材料結(jié)構(gòu)在不同共振頻率不同電導(dǎo)率下的電場(chǎng)分布。 圖6(a)、 (b)、 (c)表示共振頻率為0.564 THz下電導(dǎo)率分別為0、 4 000和8 000 S·m-1的電場(chǎng)分布圖。 由圖6(a)、 (b)、 (c)可得, 共振頻率為0.564 THz時(shí), 入射的太赫茲波的能量主要集中在金屬諧振環(huán)的右側(cè)金屬臂上, 此時(shí)結(jié)構(gòu)左側(cè)存在一段不連續(xù)的電流, 而且隨著電導(dǎo)率的增大, 右側(cè)金屬臂的間隙處積累的電荷越來越多。 因此, 在0.564 THz的共振吸收峰是由法諾共振產(chǎn)生。 圖6(d)、 (e)、 (f)表示共振頻率為0.968 THz下電導(dǎo)率分別為0、 4 000和8 000 S·m-1的電場(chǎng)分布圖。 由圖6(d)、 (e)、 (f)可得, 共振頻率為0.968 THz時(shí), 入射的太赫茲波的能量主要集中在金屬諧振環(huán)的左側(cè)金屬臂上, 此時(shí)結(jié)構(gòu)右側(cè)存在一段不連續(xù)的電流, 不同電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布大致相同。 因此, 在0.968 THz的共振吸收峰是由偶極共振產(chǎn)生。

圖6 方框形不對(duì)稱雙開口復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)中不同共振頻率不同電導(dǎo)率下的電場(chǎng)分布

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了三種基于復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的光激勵(lì)可調(diào)諧的太赫茲頻率開關(guān)。 在金屬諧振環(huán)的開口處填充氧化銦。 由于氧化銦是光敏材料, 因此改變太赫茲波激發(fā)源的強(qiáng)度可以改變氧化銦的電導(dǎo)率, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)共振吸收峰強(qiáng)度的控制。 由于復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)加工工藝復(fù)雜, 所以使用CST模擬軟件對(duì)該復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲的調(diào)制特性進(jìn)行了研究, 同時(shí)通過CST軟件對(duì)圓環(huán)和方形結(jié)構(gòu)太赫茲頻率開關(guān)的不同共振頻率的電場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬, 進(jìn)一步闡述了該復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲吸收的物理機(jī)制: 通過模擬不對(duì)稱的雙開口方框形金屬結(jié)構(gòu), 得到了在不同共振頻率下, 太赫茲波能量聚集的地方不同, 進(jìn)而導(dǎo)致共振模式不同, 產(chǎn)生了不同的共振頻率。 綜上所述, 實(shí)現(xiàn)了三種復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲光激勵(lì)可調(diào)諧的太赫茲頻率開關(guān)。