淺述基于超材料的主動式太赫茲幅值調制器*

徐誠宇 李泉 尹竑森 楊子榆 劉懿瑩

天津職業技術師范大學 電子工程學院 天津 300222

1 背景簡介

最近幾年，關于太赫茲的科學和技術報道層出不窮，很多研究小組相繼投身到太赫茲源和太赫茲探測器的研究中去。然而，想要有效地使用太赫茲相關的技術，除了要有發射和探測裝置，還要功能器件與之相配套使用。而如今與其相關的器件還十分匱乏，這也大大地限制了太赫茲的發展[1-3]。這一問題出現的重要原因是許多自然界中的常規材料在太赫茲波段沒有響應。超材料的出現為解決上述問題提供了途徑。超材料是一種具有特殊性質的人工合成材料，其折射率和磁導率等參數可以由人來完成改變，甚至可以改變成負數，這就使得人們可以按照實際情況改變材料的特殊性能[4-7]。同時，在實際應用中，人們往往希望超材料可以在電壓、光泵等外界激勵下實現對太赫茲的主動調控行為。因此，常常需要在超材料結構中置入硅、二氧化釩、石墨烯等可控材料[8-10]。本文采用模擬仿真的方法，應用石墨烯電導率可被人為調控的特點，設計了一種基于超材料的主動式太赫茲幅值調制器[11]。

2 樣品結構與仿真設計

本文采用CST軟件來設計基于超材料的樣品結構，并對設計的結構進行電磁仿真。本文采用如圖1（a）所示的多間隙超材料結構。該結構由兩部分組成，最底層為高阻硅基底，其厚度為630μm，高阻硅之上為200nm厚的金屬材料結構。金屬選用焦耳損耗很小的鋁，以此減少金屬的非輻射損耗，降低實驗誤差。金屬結構是在矩形環四開口環結構的結構基礎上進行對角線全連接，并在中心截出一個圓形的空隙，整個結構呈中心全對稱。單元結構中具體尺寸如下：金屬結構的長、寬為a=b=40μm，金屬線寬w=4.5μm，開口間隔g=5μm，中間所截圓形空隙的半徑r=5μm。為了實現主動調控，在超材料結構的中心圓形間隙中鋪上一層石墨烯。在仿真中，如圖1（b）所示，太赫茲波沿-z方向垂直入射到樣品表面，太赫茲電場方向為x方向。硅基底的介電常數設置ε= 11.78，金屬鋁的電導率設置為σ = 3.72×107 S/m。石墨烯厚度設置為1nm，仿真中通過改變費米能級數值來改變石墨烯的電導率。

圖1 超材料結構示意圖

3 結果與討論

仿真得到的透射曲線如圖2所示。超材料結構在石墨烯費米能級為0.8eV條件下，通過x極化方向入射，從圖中可以看出在0.6THz附近的高頻范圍出現了一個明顯的LC共振，而隨著費米能級的不斷減小，LC共振逐漸減弱。當費米能級減小到0.2eV時，LC共振基本消失。這一現象的出現就為實現主動調制提供了可行方案，實驗中可采用光泵的形式改變石墨烯的電導率。

圖2 不同費米能級下的透射系數

為了進一步研究上述LC共振的主動調制現象，我們仿真了不同石墨烯電導率下的超材料表面電流分布，如圖三所示。當石墨烯的費米能級較高時，可看到上下間隙中所積累的電荷的方向是完全相反的，此時的超材料結構表現為兩個有效電容器。可見LC諧振模式是清晰顯著的，如圖3（d）所示。而隨著石墨烯費米能級的減小，電流強度減弱，LC諧振模式也隨之明顯減弱，如圖3（a）（b）（c）所示。

圖3 不同費米能級下超材料的表面電流分布

4 結束語

本文通過仿真的形式，在理論上提出了一種基于超材料和石墨烯的太赫茲主動調制器件，而且對太赫茲透射系數的調制效果非常好。該主動調制現象在太赫茲應用技術，如太赫茲通信、太赫茲等離子工程、基于石墨烯的超材料等方面具有較強的應用價值。