基于超材料的模式转换

李泉 罗雨琪 刘姗姗 王爽 陈泰

【摘 要】随着太赫兹技术的不断发展，与其相应的功能器件也被科学工作者重视起来。论文结合亚波长超材料的特性，设计了一种可工作在太赫兹波段的超材料模式转换器件。当中心不连接时，该器件仅产生位于高频的偶极子单谐振。当中心横向位置被连接起来，则产生高低频双谐振。论文为太赫兹模式转换器件、传感器件乃至非线性器件的设计提供了新思路，具有较大潜在应用价值。

【Abstract】With the continuous development of terahertz technology， its corresponding functional devices are also valued by scientific workers. In this paper， a kind of metamaterial mode conversion device which can work in the terahertz band is designed in combination with the characteristics of sub-wavelength metastructures. When the center is not connected， the device only generates a single dipole resonance at a high frequency. When the central transverse position is connected， double resonances at both high and low frequency are generated. The paper provides a new idea for the design of terahertz mode switching devices， sensors， and even nonlinear devices， and has a great potential in applications.

【关键词】太赫兹;超材料;模式转换

【Keywords】terahertz; metamaterial; mode conversion

【中图分类号】TN624                                       【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）08-0145-02

1 引言

超材料，作为一种能实现自然界材料所不能实现的某些功能的特殊人工材料，近几年受到越来越多的关注。人们可以按照自我意愿设计超材料的周期性结构，从而实现对电磁波的控制。在太赫兹波段，许多功能材料就是基于超材料制备的，如滤波器、传感器、转换器、非线性器件等[1-3]。本文应用超材料特性，提出一种可以工作在太赫兹波段的模式转换器件。

2 结构设计与仿真

该结构单元共有两层，超材料中心截掉半径为r=5μm的圆后与结构中心连接（r=0μm）的透射系数，超材料结构如图1（a）所示，第一层为硅基底结构，第二层为金属材料结构，此处采用焦耳损耗很小的铝作为本结构的金属材料。金属结构的单元结构尺寸如下：单元结构的周期为100μm×100μm，基底厚度为630μm。金属结构的长为a=40μm，宽为b=40μm，金属线宽为w=4.5μm，开口间隔为g=5μm，中间所截圆的半径为r=5μm，金属结构的厚度为t=200nm。

通过FDTD对本结构进行时域仿真，我们研究了结构的特性。在仿真中，金属的电导率设置为3.72×107S/m，基底设置为介电常数为11.9的无损耗的硅材料。X和Y方向都设置为周期性边界条件。太赫兹被设置为平面波，且垂直入射到样品上。结果如图1（a）所示，该结构中心截掉的圆半径为r=5时，太赫兹透射频谱中只有一个位于高频的比较明显的谐振出现，谐振频率为～2.4THz，该谐振为偶极子谐振。偶极子谐振是由金属结构中类偶极子表面电流引起，该谐振的产生与结构的对称性无关，有时也被称为明模。当中心部分被全部连接起来时，即r=0时，除了高频的偶极子谐振外，在低频处出现了另外一个谐振，谐振频率为～0.9THz，该谐振为Fano谐振。

为了探究中心间隔处的连接变化对谐振曲线的影响，用金属做中间的局部连接来观察在不同的连接方式下频谱如何发生变化。如图1（b）黑色曲线所示，当中间只有一半部分被横向局部连接时，仍然出现了高低频两个谐振，高频谐振较中间全部连接时变化不大，低频谐振变得更加尖锐。如图1（b）红色曲线所示，当中间上下两部分都被横向局部连接时，两个谐振跟中间全部连接的响应基本一致。因此，可以得出結论：该种超材料结构的连接不受连接面积的影响，只要有横向部分连接，即可同时产生两个谐振。

为了进一步探究两种谐振的内在机理，分别仿真超材料结构中心连接时，偶极子谐振处（f=2.4THz）的表面电流分布和中心截掉半径为r=5μm的圆后，Fano谐振处（f=0.9THz）的表面电流分布，如图2所示。对比两种结构的表面电流图，发现无中心间隔时，在结构的上下两端形成了对称的电流回路，而电流的形成本质上是电荷的定向移动，因此，在电流的始端应当会有正电荷集聚，而末端应当会有负电荷集聚，该异号电荷的分布会在间隔处产生电容现象，导致强波谷偶极子谐振的出现。而有中心间隔时，电流分布在结构的四个角上，这种电流分布会在四个顶点处产生电荷集聚，但强度不大，这种电荷集聚诱导产生Fano谐振。

从以上的结果和分析中可以看出，通过控制金属结构中心缝隙处连接与否即可控制偶极子谐振与Fano谐振之间的模式转换。这种模式转换超材料的典型应用主要包括以下两种：①可以应用在太赫兹传感器的设计中，通过在中心处添加具有半导体或者金属性质的被探测物质，超材料结构的谐振就会发生相应的变化，从而分析被探测物质的种类和性质;②结构中的电荷集聚现象将一定程度上产生场增强效应，该效应有利于实现非线性效应，因此，该设计也可以应用到太赫兹非线性超材料的设计中。

3 结论

本文通过改变超材料结构的连接关系，实现了由偶极子单模式与偶机制模式和Fano谐振模式双模式之间的转换，且发现实现双模式时超材料的连接不受连接面积的影响。该设计为模式转换超材料的设计提供了一种新思路，同时，该思路也有利于实现太赫兹传感器和太赫兹非线性超材料。

【参考文献】

【1】Zhang， X， Gu， J， Cao， W， et al. Bilayer-Fish-Scale Ultrabroad Terahertz Bandpass Filter[J]. Opt. Lett， 2012（37）：906-908.

【2】Singh， R， Cao， W， Al-Naib， I， et al. Withayachumnankul， W.; Zhang， W. Ultrasensitive Terahertz Sensing with High-Q Fano Resonances in Metasurfaces[J]. Appl. Phys. Lett， 2014（105）：171101.

【3】Li， S， Nugraha， P. S. Su， X. et al. Terahertz Electric Field Modulated Mode Coupling in Graphene-Metal Hybrid Metamaterials[J]. Opt. Express，2019（27）：2317-2326.