高性能电控太赫兹幅度调制器研究

2021-04-29杨力豪杨龙亮何金橙徐倩雯刘嘉诚韩宇航

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2021年2期

马勇，杨力豪，杨龙亮，何金橙，刘艺，徐倩雯，刘嘉诚，韩宇航

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

0 引言

太赫兹波(频率范围为0.1～10 THz)具有独特的性质，如相对于微波来说其带宽较宽，相对于光波来说其光子能量低等，使得太赫兹技术在光谱检测、无线通信、成像等领域具有极大的潜在应用价值[1-2]。太赫兹系统中，需要能够控制太赫兹波的器件，例如滤波器[3]、波导[4]、调制器[5]等。其中，太赫兹调制器因其能够主动调控太赫兹波，已成为众多太赫兹系统的重要组成部分，如太赫兹成像系统，太赫兹无线通信系统等。因此，对调制器的研究显得尤为重要。但是，自然界材料很难与太赫兹波产生电磁响应，使得对于调制器的研究受阻。近年来，超材料的发展为实现太赫兹调制器提供了一条路径。超材料是一种由亚波长谐振单元结构按照一定排列方式构成的人工合成材料，它能与太赫兹波产生良好的电磁响应，实现自然材料不能实现的效果，如负折射率[6]、完美透镜[7]、隐身[8]等。

近年来，人们已经报道了一系列基于超材料的太赫兹调制器，根据其控制方式可分为温控调制器[9-10]、光控调制器[11-12]和电控调制器[13-14]等。其中，电控调制器具有易于集成的特点，能够更好地满足实际应用需求，引起了人们的广泛关注。自2006年以来，研究者们通过在掺杂半导体上构建金属超材料结构形成肖特基接触，利用外加偏置电压控制掺杂半导体中的载流子浓度进而控制超材料结构的谐振强度，实现了对在自由空间中传播的太赫兹波的调控[13-14]。但是，这类调制器需要很高的驱动电压(通常大于12 V)，而且其调制速度(处于kHz量级)和调制深度(低于50%)较低，大大限制了调制器在太赫兹系统中的实际应用。高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)具有驱动电压低、通断速度快的特点，为实现高性能调制器提供了一种新的选择。2011年，文献[15]首次通过HEMT与超材料结构结合的方式实现了能够高速调控太赫兹波的调制器，其调制速度达到10 MHz。之后，一系列HEMT-超材料调制器在众多期刊杂志发表[16-17]。在这些已经报道的HEMT-超材料调制器中，其超材料结构大多采用的是单个或2个对称的开口环形结构，利用开口环形结构产生LC谐振；或者采用偶极子天线形结构，利用偶极子天线结构产生偶极子谐振。其工作原理都是通过外加电压控制位于超材料开口处的HEMT沟道中的二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)浓度，来控制超材料结构的谐振强度，进而实现对太赫兹波的调控。虽然这些调制器具有较高的调制速度(达到MHz)，但是这些调制器所设计的超材料结构对太赫兹波的电磁响应较弱，导致器件的调制深度较低(通常小于50%)。因此，要提高调制器件的调制性能，可以通过设计对太赫兹波具有强电磁响应，并能与HEMT相结合的超材料结构来实现。这有可能实现具有高调制深度、调制速率和低驱动电压的太赫兹调制器。

本文提出了一种由具有高谐振强度的四开口圆环超材料结构和HEMT复合结构构成的电控太赫兹幅度调制器。仿真结果表明，该幅度调制器在0.146 THz和0.223 THz中心频点处的最大调制深度分别可达到96.9%和92.2%。此外，该调制器可以通过改变器件的结构参数调节器件的工作频点，可以灵活地满足实际应用需求，在无线通信和实时成像等领域具有潜在的应用价值。

1 结构设计

本文设计的电控太赫兹调制器如图1a，它是由超材料结构和HEMT在SiC衬底上集成而成，调制器尺寸大小为7 mm×7 mm，包含了900个调制器单元结构。超材料结构单元的周期为p，每个单元由4个成中心对称的开口圆环组成，圆环宽度为r，圆心间距为g，圆环开口大小为d，如图1b。由于超材料结构的对称性，因此平面超材料结构对入射太赫兹波的磁响应相互抵消，仅有电响应[13]。HEMT位于4个金属开口圆环的开口处，这不仅能够减少器件的RC延迟时间，提高调制速度，还有效地提高了器件对太赫兹波的谐振强度，从而使器件具有较高的调制深度。HEMT的剖面图如图1c，HEMT的AlGaN/GaN外延层是利用金属有机化合物化学气相沉淀技术在SiC衬底上生长出来的，由于调制掺杂效应，2DEG形成于未掺杂的GaN层的沟道中，不存在来自电离杂质的库伦散射，因此，2DEG有着很高的电子迁移率和电荷密度。HEMT的栅极与中间斜十字馈线连接，源极和漏极分别与开口圆环连接。每个调制器单元由上中下3条水平金属馈线相互连接，并最终连接至馈电电极上。其中，中间馈线与斜十字馈线连接并最终与肖特基电极连接，上下2根馈线与开口圆环连接并最终与欧姆电极连接。

图1 太赫兹调制器结构示意图Fig.1 Structure diagram of THz modulator

本文设计的调制器采用金属金作为超表面结构和馈线的材料，厚度为t，馈线的宽度为w。金属结构和HEMT结构被置于厚度为h的SiC衬底上, SiC的相对介电常数εr=9.8。以上提到的各个参数的设置为：p=240 μm，r=18 μm，g=120 μm，d=6 μm，w=2 μm,t=0.2 μm，h=265 μm。

2 仿真与分析

本文采用CST Microwave Studio软件对调制器进行数值分析，仿真设置为：求解器采用频域求解器，x轴与y轴采用unit cell边界设置，z轴采用open add space边界设置，太赫兹波的入射方向为正入射，电场方向与中间水平馈线相互垂直。

为了研究调制器在不同电压条件下的电磁特性，本文采用Drude模型[15]来模拟不同电压条件下HEMT沟道中的2DEG浓度变化，其介电常数可以表示为

(1)

从图2可以看到，当ωp=1E+16时，调制器在0.146 THz处产生谐振，器件的透射系数为0.03。此时，相当于未加栅极电压，金属开口圆环的开口由于HEMT沟道存在高浓度的2DEG被短接，记为关态。随着ωp减小，0.146 THz处的谐振强度减弱，器件透射系数增大，直至ωp=3.34E+14时谐振基本消失。与此同时，在0.223 THz处出现新的谐振峰，进一步减小ωp，谐振强度逐渐增大，透射系数逐渐减小，直至ωp=1E+12时达到饱和。此时，相当于施加的栅极电压使沟道中的2DEG完全耗尽，使得金属开口圆环的开口被完全打开，记为开态。在器件由关态转变为开态的过程中，谐振频率从0.146 THz转变至0.223 THz，频率差为Δf=77 GHz。

图2 调制器在不同ωp取值下的透射系数谱Fig.2 Transmission coefficient spectrum of modulator under different values of ωp

通常用调制深度来描述调制器调制能力，调制深度的表达式为

MD(f)=|(T(f)开态-T(f)关态)/

max{T(f)开态,T(f)关态}|

(2)

(2)式中：T(f)开态和T(f)关态分别表示在频率f处，调制器在开、关2种状态下的透射系数。由此本文得到调制器在不同ωp下的调制深度曲线如图3。

图3 0.146 THz和0.223 THz处不同ωp取值下的调制深度曲线Fig.3 Modulation depth curve under different ωpvalues of 0.146 THz and 0.223 THz

从图3可以看到，在0.146 THz处，器件的调制深度随等离子体频率的增大而增大。这是由于随着等离子体频率的增大，HEMT沟道中的二维电子气浓度升高，器件在0.146 THz处的谐振强度增强，太赫兹波的透过率减小。0.146 THz处最大调制深度可以达到96.9%；同样，在0.223 THz频点处，器件的调制深度随等离子体频率的增大而增大，这是由于随着等离子体频率的增大，HEMT沟道中的二维电子气浓度升高，器件在0.223 THz处的谐振强度减弱，太赫兹波的透过率增大。0.223 THz处最大调制深度可以达到92.2%。

为了研究调制器的调制机理，本文仿真得到了器件在关态和开态下的电流分布和电场分布如图4。从图4可以看到，器件在关态时，电场主要分布在四金属开口圆环的外侧，表面电流主要分布在中间斜十字馈线上，且沿着圆环流向源漏馈线。这是由于金属开口圆环的开口处存在高浓度的载流子，使得开口被短接，电子在电场的驱动下，沿着斜线在上下金属圆环上来回振动，产生了偶极子谐振。器件在开态时，电场主要集中在金属开口圆环的开口处，表面电流沿着开口圆环循环往复流动，形成一个回路。这是由于金属开口圆环的开口处载流子被耗尽，使得开口被打开，电子在电场的驱动下沿着金属开口圆环循环流动，电子聚集在由开口形成的等效电容上下极板上，产生了LC谐振。

图4 关态和开态下调制器的表面电流和电场分布Fig.4 Surface current and electric field distribution of the modulator in closed and open states

综上所述，器件的工作原理为：当未给栅极加偏置电压时，金属圆环的开口由于HEMT沟道内存在高浓度的二维电子气浓度，导致开口被短接，此时由斜十字馈线和4个金属圆环构成的整体产生偶极子谐振。随着栅极电压的增加，HEMT沟道中的二维电子气浓度逐渐减小，当电压达到一定值时，HEMT沟道中的二维电子气被完全耗尽，电场在金属圆环的开口处受到强烈的约束，4个金属开口圆环会产生强烈的LC谐振。通过控制外加电压，控制HEMT沟道中的二维电子气浓度，实现偶极子谐振和LC谐振模式的相互转换，从而实现对入射太赫兹波幅度的控制。

3 结构参数对器件性能的影响

通常情况下，调整超材料单元结构的尺寸可以改变其电磁特性，使超材料构成的器件具有更佳的性能。本文从超材料单元结构的宽度r、开口大小d和周期大小p3个重要结构参数，讨论了其大小变化对调制器性能的影响，仿真结果如图5—图7。

图5 不同圆环宽度r下调制器的透射系数谱线Fig.5 Transmission coefficient spectral lines of the modulator under different ring widths r

图6 不同开口大小d下调制器的透射系数谱线Fig.6 Transmission coefficient spectral lines of the modulator under different opening sizes d

图7 不同单元周期p下调制器的透射系数谱线Fig.7 Transmission coefficient spectral lines of the modulator under different different unit cycles p

图6为在保持其他参数不变的情况下，改变超材料单元结构开口大小d，调制器在关态和开态下的透射系数谱。在关态下，器件的整体结构没有发生变化，因此不做讨论。而在开态下，从图中可以看出，在开口大小d从3 μm增加至10 μm的过程中，调制器的谐振频率发生蓝移，蓝移量Δf=22 GHz。这是由于在开态下，随着开口大小d的增加，整体结构的等效电容减小，进而谐振频率增大。

图7为在保持其他参数不变的情况下，改变超材料单元结构周期p，调制器在关态和开态下的透射系数谱。在周期p从230 μm增加至270 μm的过程中，关态下和开态下的谐振频点均发生轻微的蓝移，蓝移量分别为Δf关态=7 GHz和Δf开态=2.5 GHz。这是由于随着周期的增大，结构单元的间距增大，在关态和开态下的等效电容减小，进而谐振频率增大。与此同时，器件的谐振强度降低，因此透射系数略微增大。

综上所述，在不同的结构参数下，调制器的工作频点不同，因此，可以通过改变器件的结构参数调整器件工作频点，研制出符合实际需求的调制器件。

4 结论

本文设计了一种由具有高谐振强度的四开口圆环超材料结构和HEMT复合结构构成的电控太赫兹幅度调制器。通过外加电压的方式调节HEMT沟道中的二维电子气浓度，实现超材料结构在偶极子谐振和LC谐振之间的模式转换，进而实现对正入射太赫兹波的幅度调控。仿真结果显示，本文设计的调制器在0.146 THz和0.223 THz处的最大调制深度分别能够达到96.9%和92.2%，与其他论文里的同类调制器性能做对比，如表1。对比发现本文设计的调制器的调制深度均优于对比文献中的调制器，在无线通信和实时成像等领域具有潜在的应用价值。