光栅-液晶复合结构太赫兹移相器

龙 洁， 李九生

中国计量大学太赫兹研究所， 浙江 杭州 310018

引 言

近年来， 随着太赫兹技术及其应用的快速发展， 各类太赫兹控制器件需求也随之增加， 其中包括太赫兹开关[1]、 太赫兹分束器[2]、 太赫兹吸收器[3]、 太赫兹调制器[4]和太赫兹滤波器[5]等。 作为太赫兹系统重要器件之一， 太赫兹波移相器成为当前研究热点。 2004年， Chen[6]等提出一种在液晶盒内部嵌入金属条形结构的太赫兹移相器， 室温下可实现4.07°相移量。 2014年， Yang[7]等提出了一种以氧化铟锡作为电极材料透射型太赫兹移相器， 该移相器能够在5.66 V的电压下实现90°相移。 2016年， Fan[8]等提出了一种将液晶填充于石英基底的太赫兹移相器， 该移相器在0.2～1 THz频段能产生270°相移。 2017年， Chodorow等[9]提出在氧化铟锡电极上构造光栅结构太赫兹移相器可实现180°相移量。 2018年， Xia[10]等研究在石英基板上印刷两个长度不等的偶极子来构造一种反射式太赫兹移相器， 该移相器谐实现最大相移量331°。 2016年， Du[11]等提出一种由石英层、 电极层、 E7液晶层、 电极层、 石英层组成的电控太赫兹移相器， 实现129.4°相移量。 2019年， Kuo等[12]提出以CMOS电路驱动电压设计透射式太赫兹移相器， 实现360°相移。 已有移相器存在着尺寸较大、 结构复杂、 相移量较小等问题， 为克服上述缺陷， 本文设计了一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器， 在液晶盒底部嵌入硅光栅结构， 在频率0.39～0.46 THz范围内实现400°相移量， 回波损耗均小于-11 dB， 其中在频率0.43 THz处获得422°相移量， 在太赫兹波入射角0°～30°内对太赫兹移相器的相移量没有影响， 并且该器件对入射太赫兹波的偏振不敏感。 该太赫兹移相器具有器件结构尺寸小， 相移量大， 便于调控等优点， 在未来太赫兹通信、 安检、 医疗、 传感、 成像等领域中有广阔的应用前景。

1 实验部分

提出太赫兹移相器三维结构如图1(a)所示， 器件从上到下依次为石英层、 石墨烯电极层、 液晶盒、 硅光栅结构层以及石墨烯电极层和石英层。 其中硅光栅结构分布在液晶盒底层， 光栅结构层所用材料为高阻硅， 相对介电常数为ε1=11.9， 高度为h1=20 μm。 二氧化硅材料的相对介电常数为ε0=3.9， 厚度为h0=260 μm， 液晶盒高度h2=20 μm。 液晶盒上下表面的石墨烯层作为电极。 液晶盒底部的周期性硅光栅层结构图如图1(b)所示。

图1 太赫兹移相器(a)： 三维结构示意图； (b)： 底层硅光栅结构示意图；(c)： 太赫兹波在太赫兹移相器中传输模型Fig.1 Schematic diagram of terahertz phase shifter

当太赫兹波入射到所设计的移相器结构时， 液晶盒下部分布的周期性硅光栅起到了分光作用， 因而不同衍射级上出现亮暗条纹， 并且在相邻光束之间产生相位差。 不考虑介质层吸收和石墨烯电极的厚度， 液晶盒下部分布的周期性硅光栅物理模型如图1(c)所示。 当太赫兹波沿着光线1透过光栅结构所产生的相位延迟可以表示为

可以得到太赫兹波沿着光线1和光线2所产生相位差为

光栅结构透过率可以通过式(4)计算得到

式(6)中， fx=sinθ/λ， 各级太赫兹波通过该结构的衍射效率表达式可表示为

ηm=U2(fx)*U2(fx)=|cm|2

(7)

太赫兹波通过该光栅结构衍射效率可以表示为[13]

式(8)中， ρ为占空比ρ=a/d。

2 结果与讨论

本文所采用的液晶材料为GT3-23001， 未加电状态下液晶介电常数记为ε⊥， 加电状态下液晶介电常数记为ε∥， 具体取值为ε⊥=2.47，tanδ⊥=0.03， ε∥=3.26，tanδ∥=0.02。 图2为不同光栅周期下太赫兹波衍射效率。 当光栅常数d=60μm时， 衍射效率曲线关于第0衍射级呈对称分布， 在第0衍射级的衍射效率最高， 达到了99.8%。 在第±5衍射级达到80%衍射效率， 在第±2衍射级、 第±4衍射级、 第±6衍射级、 第±8衍射级、 第±10衍射级时这几个偶数级衍射效率为0。 在第±1衍射级、 第±3衍射级、 第±7衍射级、 第±9衍射级产生较小衍射峰， 超过第±10衍射级的高衍射级太赫兹波衍射效率均为0。 随着光栅常数的增大， 衍射曲线总体分布特征并未改变， 而各衍射级太赫兹波衍射效率有不同程度增加。

图2 不同光栅常数下太赫兹波衍射效率Fig.2 Terahertz waves diffraction efficiencyunder different grating constants

为了探究不同光栅常数下太赫兹波通过所设计结构的衍射效率规律， 本文计算了光栅常数为d=60 μm，d=61 μm，d=62 μm，d=63 μm，d=64 μm和d=65 μm时太赫兹波衍射强度如图3(a)—(f)所示。 当光栅常数在60～65 μm范围内变化时， 太赫兹波衍射强度最强的位置均集中在第0衍射级， 此时衍射效率最高， 在第±5衍射级太赫兹波衍射强度较强， 且在该衍射级边缘出现两种不同强度的光斑， 这是因为光栅结构起到了分光作用。 在第±2衍射级、 第±4衍射级、 第±6衍射级、 第±8衍射级、 第±10衍射级这几个偶数级和超过±10的高衍射级时， 太赫兹波衍射强度最弱， 对应衍射效果最差。

图3 不同光栅常数下太赫兹波衍射强度(a)： d=60 μm； (b)： d=61 μm； (c)： d=62 μm； (d)： d=63 μm； (e)： d=64 μm； (f)： d=65μmFig.3 Terahertz diffraction intensity at different grating constants(a)： d=60 μm； (b)： d=61 μm； (c)： d=62 μm； (d)： d=63 μm； (e)： d=64 μm； (f)： d=65μm

不同液晶材料介电常数ε⊥=2.47(无外加电场)和ε∥=3.26(有外加电场)太赫兹波通过移相器衍射效率如图4所示， 与之对应的太赫兹波衍射强度如图5。 从图4中可以发现， 衍射效率最高的点集中在0衍射级。 当加电时达到临界介电常数之后， 在第4和-4衍射级中出现了高达80%衍射效率， 太赫兹波入射到光栅结构且发生衍射之后主要的能量一直集中在第0级衍射光斑中。 由于液晶材料具有各向异性， 在未加电时液晶微粒的光轴无序排列， 此时液晶材料的有效折射率与基体折射率不匹配， 对入射太赫兹波呈强烈的散射态， 无法透过移相器； 当施加偏置电压时， 液晶微粒的光轴将逐渐沿电场方向取向， 液晶分子的有效折射率与石英基体的折射率得到了匹配， 太赫兹波可透过此器件呈现透明状态， 而所设计的光栅结构对太赫兹波入射方向进行选择的作用。 当液晶材料介电常数ε⊥=2.47， 大部分能量都集中在低衍射级次的光斑上， 更高级次的衍射光斑光强偏弱。 当液晶介电常数达到饱和态ε∥=3.26时， 液晶微粒绝大部分沿电场方向取向， 透过太赫兹波最强， 衍射级次也就最多， 光栅结构的衍射强度或衍射级次是可通过电场灵活调控。

图4 不同液晶材料介电常数ε⊥=2.47(无外加电场)和ε∥=3.26(有外加电场)下太赫兹波通过移相器的衍射效率

图5 不同液晶材料介电常数下太赫兹波衍射强度(a)： ε⊥=2.47； (b)： ε∥=3.26Fig.5 Terahertz wave diffraction intensity at different dielectric constants of liquid crystal materials

从未加电状态到稳定加电状态之间， 随着液晶介电常数的不断增大， 所设计太赫兹移相器的相移量也相应增大， 不同液晶材料介电常数下透过移相器太赫兹波相位曲线如图6所示。 当液晶介电常数分别取为ε⊥=2.47和ε∥=3.26时，太赫兹移相器的相移量差值最明显。 在0.39～0.46 THz(带宽为70 GHz)频段范围内， 所设计太赫兹移相器的相移量均超过400°。 当频率f=0.39 THz和f=0.46 THz时， 太赫兹移相器的相移量分别达到了405°和410°， 而且在频率为f=0.43 THz时， 获得太赫兹移相器的最大相移量为422°。

图6 不同液晶材料介电常数下太赫兹波移 相器的相位曲线Fig.6 Phase curves of terahertz waves phase shifter under different dielectric constants of liquid crystal

在不改变其他条件的情况下， 分别对太赫兹波移相器在频率为f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz时， 各频点相移曲线如图7(a)所示。 从图中计算结果可以得知， 当液晶材料的介电常数在2.47～3.26之间变化时， 频率f=0.39 THz， 相位从-174.5°递减至-575.5°， 最大相移量达到401°。 频率f=0.43 THz， 相位从-232.2°递减至-642.2°， 最大相移量达到410°。 频率f=0.46 THz， 相位从-301.5°递减至-701.5°， 最大相移量为400°。 图7(a)给出了不同入射角下， 当入射太赫兹波频率f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz时相位曲线， 由图可知该移相器在太赫兹波入射角0～30°范围内， 太赫兹移相器的相移量保持不变， 因此太赫兹移相器对入射角度变化不敏感。 分别对该三个频率点在TE和TM两种偏振下的相位曲线进行计算得到结果如7(b)所示， 可见该移相器对入射太赫兹波的偏振不敏感。 太赫兹波移相器回波损耗曲线和插入损耗曲线如图8所示， 从图8(a)可以看出在频率范围0.39～0.46 THz， 随着液晶介电常数不断增大， 该太赫兹波移相器所产生的回波损耗也不断增大， 但均保持在-11 dB范围内。 从图8(b)可以看出该太赫兹波移相器的插入损耗随着液晶材料介电常数的增大而减小。

图7 太赫兹波移相器的相位曲线(a)： 不同入射角下单频点相位曲线； (b)： TE和TM偏振下单频点相位曲线Fig.7 Phase curve of terahertz wave transmission through the phase shifter(a)： Single frequency point curve at different incident angles； (b)： Single frequency point curve under TE and TM polarization

图8 太赫兹波移相器损耗曲线(a)： 回波损耗； (b)： 插入损耗Fig.8 Terahertz wave phase shifter loss curve(a)： Return loss； (b)： Insertion loss

4 结 论

提出一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器， 在0.39～0.46 THz频率范围内能实现相移量超过400°。 在频率f=0.43 THz处实现最大相移量为422°。 太赫兹波的入射角0°～30°范围改变情况下， 相移量保持不变， 太赫兹波相移器对入射角变化不敏感， 同时该相移器对入射太赫兹波的偏振状态也不敏感。 由于所设计的太赫兹波相移器具有小型化、 相移量大等优点， 在太赫兹波传感、 医疗成像等方面将具有广阔的应用前景。