浅述基于超材料的主动式太赫兹幅值调制器*

徐诚宇 李泉 尹竑森 杨子榆 刘懿莹

天津职业技术师范大学 电子工程学院 天津 300222

1 背景简介

最近几年，关于太赫兹的科学和技术报道层出不穷，很多研究小组相继投身到太赫兹源和太赫兹探测器的研究中去。然而，想要有效地使用太赫兹相关的技术，除了要有发射和探测装置，还要功能器件与之相配套使用。而如今与其相关的器件还十分匮乏，这也大大地限制了太赫兹的发展[1-3]。这一问题出现的重要原因是许多自然界中的常规材料在太赫兹波段没有响应。超材料的出现为解决上述问题提供了途径。超材料是一种具有特殊性质的人工合成材料，其折射率和磁导率等参数可以由人来完成改变，甚至可以改变成负数，这就使得人们可以按照实际情况改变材料的特殊性能[4-7]。同时，在实际应用中，人们往往希望超材料可以在电压、光泵等外界激励下实现对太赫兹的主动调控行为。因此，常常需要在超材料结构中置入硅、二氧化钒、石墨烯等可控材料[8-10]。本文采用模拟仿真的方法，应用石墨烯电导率可被人为调控的特点，设计了一种基于超材料的主动式太赫兹幅值调制器[11]。

2 样品结构与仿真设计

本文采用CST软件来设计基于超材料的样品结构，并对设计的结构进行电磁仿真。本文采用如图1（a）所示的多间隙超材料结构。该结构由两部分组成，最底层为高阻硅基底，其厚度为630μm，高阻硅之上为200nm厚的金属材料结构。金属选用焦耳损耗很小的铝，以此减少金属的非辐射损耗，降低实验误差。金属结构是在矩形环四开口环结构的结构基础上进行对角线全连接，并在中心截出一个圆形的空隙，整个结构呈中心全对称。单元结构中具体尺寸如下：金属结构的长、宽为a=b=40μm，金属线宽w=4.5μm，开口间隔g=5μm，中间所截圆形空隙的半径r=5μm。为了实现主动调控，在超材料结构的中心圆形间隙中铺上一层石墨烯。在仿真中，如图1（b）所示，太赫兹波沿-z方向垂直入射到样品表面，太赫兹电场方向为x方向。硅基底的介电常数设置ε= 11.78，金属铝的电导率设置为σ = 3.72×107 S/m。石墨烯厚度设置为1nm，仿真中通过改变费米能级数值来改变石墨烯的电导率。

图1 超材料结构示意图

3 结果与讨论

仿真得到的透射曲线如图2所示。超材料结构在石墨烯费米能级为0.8eV条件下，通过x极化方向入射，从图中可以看出在0.6THz附近的高频范围出现了一个明显的LC共振，而随着费米能级的不断减小，LC共振逐渐减弱。当费米能级减小到0.2eV时，LC共振基本消失。这一现象的出现就为实现主动调制提供了可行方案，实验中可采用光泵的形式改变石墨烯的电导率。

图2 不同费米能级下的透射系数

为了进一步研究上述LC共振的主动调制现象，我们仿真了不同石墨烯电导率下的超材料表面电流分布，如图三所示。当石墨烯的费米能级较高时，可看到上下间隙中所积累的电荷的方向是完全相反的，此时的超材料结构表现为两个有效电容器。可见LC谐振模式是清晰显著的，如图3（d）所示。而随着石墨烯费米能级的减小，电流强度减弱，LC谐振模式也随之明显减弱，如图3（a）（b）（c）所示。

图3 不同费米能级下超材料的表面电流分布

4 结束语

本文通过仿真的形式，在理论上提出了一种基于超材料和石墨烯的太赫兹主动调制器件，而且对太赫兹透射系数的调制效果非常好。该主动调制现象在太赫兹应用技术，如太赫兹通信、太赫兹等离子工程、基于石墨烯的超材料等方面具有较强的应用价值。