光控电磁超表面太赫兹调制器的研究

梁兰菊，闫昕，姚建铨

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津　300072；2. 枣庄学院光电工程学院，山东枣庄　277160)



光控电磁超表面太赫兹调制器的研究

梁兰菊1,2，闫昕1,2，姚建铨1

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072；2. 枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160)

[摘要]本论文利用光敏硅的可变电导率特性，设计了一种基于光控的电磁超表面宽带太赫兹调制器.电磁超表面由金属薄膜、隔离层以及具有光敏硅的特殊结构组成.光敏硅的电导率从1 S/m变为2×105 S/m时，谐振频率从1.4 THz 变到1.0 THz, 其反射率从-5 dB变到-38dB，频移为 0.3 THz，振幅调制深度接近100%，并且电磁超表面的反射率小于-10 dB的带宽从0变为0.64 THz，实现宽频带低反射主要与相邻结构单元的反射相位差有关系.该电磁超表面结构为大范围、宽频带的太赫兹调制器提供了一种新的思路和途径，将在通信、国防、成像等方面有重要的应用前景.

[关键词]太赫兹；调制器；光控；宽频带

0引言

太赫兹波(Terahertz, 1THz=1012Hz)在宽带通信、空间探测、医学诊断等领域具有巨大的作用[1].然而，太赫兹波段的功能材料和器件十分缺乏，特别是太赫兹调制器，存在调制速率低，带宽窄，调制深度小甚至需要低温工作等不足，这大大限制了太赫兹波的实际应用.为此，研制高速率，超宽带，深度大的调制器件成为太赫兹领域最亟待解决的关键技术之一，也是国际学术界的重要研究热点[2,3].

大多数天然材料对太赫兹的电磁响应都及其微弱，很难实现对电磁波自由操控.电磁超表面能够在任意波段实现理想的等效电磁参数的特性，在太赫兹电磁功能器件获得了广泛的应用[4,5].传统电磁超表面结构由于其固定结构和参数，仅能实现固定的电磁波特性，难以满足日益灵活的应用需求，因此可控电磁超表面成为一个重要的研究热点[6,7].特别地，基于光控的电磁超表面太赫兹功能器件由于具有较为简单的结构以及高速的调控方式，受到了越来越多的关注.

本文提出了一种薄的柔性电磁超表面结构，在不同功率的光控下，谐振频率从1.4 THz变到1.0 THz, 振幅调制深度接近100 %，反射率小于-10 dB的带宽从0变为0.6 THz.该结构为设计宽频段、大范围的动态调制器件提供了一种新的途径.

1结构设计与数值仿真

基于光控的太赫兹调制器有三层组成，第一层金属薄膜，其厚度为200 nm.第二层为中间隔离层聚酰亚胺，聚酰亚胺的厚度h=40μm，其介电常数为3.1，相应的介电损耗为0.05.第三层为电磁超表面结构，其结构单元为两个金属方环(“1”)和无金属结构(“2”)组成，红色部分为光敏半导体硅.电磁超表面结构周期P=220 μm，金属线宽为w=5.5μm，金属方环谐振结构的边长为L=64 μm，光敏硅的长度为g=8μm，厚度为1μm.

图1　(a) 调制超表面结构单元,黄色为金属,红色为光敏硅,绿色为电介质聚酰亚胺

在仿真中设光敏硅的介电常数为11.7，没有光照时，其电导率设置为σ=1s/m.光敏硅的电导率会随着外部光照能量的变化而不同，当光照能量增加时，半导体内的载流子浓度会发生变化，进而影响光敏硅的电导率.

图2　太赫兹电磁超表面随着光敏硅不同电导率的特性(a)反射(b)反射相位

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

从图2(a)中看出，当光敏硅的电导率从σ=1s/m变为σ=2×105s/m，反射率小于-10 dB的带宽从0变为0.64 THz，带宽范围从0.74-1.38 THz，谐振频率从1.4 THz 变到1.0 THz, 最小反射率从-5 dB到 -38 dB，频移为 0.3 THz，调制深度接近100 %.谐振频率发生偏移，这主要是因为谐振环的开口处相当于一个电容器，光敏硅的电导率发生变化，会影响超表面的电容率，进而影响电磁超表面的共振频率.

该调制器随着光敏硅的电导率发生变化产生一个宽带频带低反射效果，但是反射率小于-10 dB的带宽并不是随着电导率的增加一直增加.为了解释这一原因，本文计算了光敏硅在不同电导率情况下，电磁超表面的反射相位，如图2(b)所示. 从图中看出，当光敏硅的电导率变为σ=2×105s/m，其反射相位发生突变，但是随着硅的电导率进一步增加，其反射相位变化并不大，导致其反射率小于-10 dB的带宽并不随着光敏硅的电导率一直减小.为了进一步探讨低反射效果，计算了“1”单元与“2”单元在不同电导率情况下的反射相位差，如图3所示.当光敏硅的电导率为σ=1s/m，其反射相位差在0.2-2 THz 范围内都很小，最大相位差为50度，因此该电磁超表面反射在此频带内都很大.当光敏硅的电导率为σ=2×105s/m，其反射相位差为在0.2-2 THz 范围内变化较大，在频率1.0 THz处相位差为180度左右.利用电磁波的干涉相消效果，此时会产生很低的反射效果.假设“1”和“2”两相邻单元在电磁波辐射下产生幅度相同的散射电场，总的等效辐射场为：

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

(1)

其中A为表面产生的电场幅度，φ1和φ2分别是“1”和“2”的反射相位.当电磁波垂直入射时，各单元同相情况下的反射场表示为

E0=2A.ej.φ1

(2)

当电磁波垂直入射时，各单元反相情况下的反射场表示为E0=0.

从以上分析结果表明，实现谐振频率发生偏移的原因主要谐振开口处的电容率发生变化，实现宽频段低的反射率主要是因为两相邻单元的相位差有关系.

为了进一步探讨柔性电磁超表面调制特性，改变光敏硅长度g= 6 μm，研究其反射特性，如图4所示.从图中可以看出，其谐振频率处的反射率会随着电导率的增加而减小，最小反射率约为-32dB，调制深度效果没有长度较长的光敏硅效果好.这是因为在同样电导率条件下，其谐振开口的电容率变化不一样，导致其调制深度并不一样.但是谐振开口的光敏硅长度变短了，更易调制一些.从图4看出，在光敏硅的电导率σ=1×105s/m时，其反射率小于-10 dB的带宽达到0.6 THz.

图4　太赫兹电磁超表面随着光敏硅不同电导率的反射特性

2结论

设计了基于一种光敏硅电磁超表面实现了大范围、宽频段的调制效果，振幅调制深度接近100%，改变光敏硅的几何参数，调制条件和深度将会改变.实现宽频段的调制结果主要是相邻的两单元的反射相位差有很大关系，当相位差在很宽的频段范围内接近180度，其调制深度会更大，带宽会更宽.为了设计性能更好的太赫兹调制器，需要综合考虑光敏硅和电磁超表面的结构以及最佳参数.总之，该结构为设计太赫兹调制器提供了一种新的思路，将在宽带通信、军事国防、医学成像等方面具有重要的应用前景.

参考文献

[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.

[责任编辑：周峰岩]

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

[中图分类号]0441 TB34

[文献标识码]A

[文章编号]1004-7077(2016)02-0010-04

[作者简介]梁兰菊(1979-)，女，山东菏泽人，天津大学精密仪器与光电子工程学院在职博士后，枣庄学院光电工程学院副教授，博士，主要从事太赫兹人工电磁超表面的研究.

[基金项目]国家自然科学基金(项目编号:61271066);中国博士后科学基金(项目编号:2015M571263);山东省高等学校科技计划项目 (项目编号:J15LN36);枣庄学院博士基金；枣庄学院“光电科学与技术”科研创新团队资助的课题.

[收稿日期]2016-01-19