朱 俊

(中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光電工程系，廣東 中山 528436)

0 引言

新型人工電磁媒質(zhì)具備自然界材料所不具備的一些電磁響應(yīng)特性，因而成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿.通常，人工電磁媒質(zhì)的尺寸和使用方式一旦確定，其響應(yīng)就固定了.而新型主動(dòng)式人工電磁媒質(zhì)融合了半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等介質(zhì)，通過(guò)外加電場(chǎng)、溫度、光場(chǎng)、磁場(chǎng)等手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等介質(zhì)材料特性的改變，從而使人工電磁媒質(zhì)的響應(yīng)為外加激勵(lì)所調(diào)控，這一人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)為主動(dòng)式新型光電功能器件的發(fā)展開(kāi)辟了新的思路和方法.新型主動(dòng)式人工電磁媒質(zhì)的發(fā)展對(duì)太赫茲波段器件的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.調(diào)控方式多種多樣，主要包括:電控、［1］磁場(chǎng)控制、［2］光泵調(diào)控、［3］溫度控制、［4］滲入液晶、［5］相關(guān)控制［6］和克爾非線性調(diào)制［7］等手段.

最近，半導(dǎo)體材料引入到LC諧振中實(shí)現(xiàn)調(diào)頻在太赫茲波段引起了廣泛的關(guān)注.這是由于在太赫茲波段，半導(dǎo)體材料相對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)有一個(gè)非常明顯的優(yōu)勢(shì)，即它可通過(guò)改變周圍環(huán)境溫度、外加磁場(chǎng)強(qiáng)度、泵浦光強(qiáng)和所施加電壓值這些因素中的任一因素，半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)即可發(fā)生改變.

本文設(shè)計(jì)的新型溫控THz寬帶調(diào)頻人工電磁媒質(zhì)，將半導(dǎo)體調(diào)制材料置入到由金屬制作成的裂環(huán)諧振子的開(kāi)口處.該人工電磁媒質(zhì)的設(shè)計(jì)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).首先，在技術(shù)上相對(duì)容易加工;其次，能實(shí)現(xiàn)比較寬的調(diào)頻效應(yīng)，同時(shí)能保持幅值的一致.通過(guò)改變?nèi)斯る姶琶劫|(zhì)所處的環(huán)境溫度來(lái)改變半導(dǎo)體材料載流子數(shù)目，從而影響InSb的介電性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的寬帶調(diào)頻.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬及分析

設(shè)計(jì)的新型溫控THz寬帶調(diào)頻人工電磁媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)是具有兩個(gè)開(kāi)口的裂環(huán)諧振子，幾何尺寸為D=36um，W=6um，G=3 um，厚度t=200um，黃色部分代表金屬鋁，紫色部分為半導(dǎo)體材料銻化銦InSb，灰色部分為基底.將用鋁Al制作成的SRR嵌在640um厚的同性石英基底上，石英的相對(duì)介電常數(shù)為3.78，同時(shí)在SRR的兩開(kāi)口處嵌入長(zhǎng)為M=8 um和寬為G=3 um的兩塊InSb，結(jié)構(gòu)單元如圖1(a)所示.結(jié)構(gòu)單元以P=50um周期性地放置，如圖1(b)所示.所有的尺寸參數(shù)均是太赫茲波段的典型參數(shù).

圖1 新型溫控THz寬帶調(diào)頻人工電磁媒質(zhì)的設(shè)計(jì)

在數(shù)值計(jì)算中使用了電磁場(chǎng)仿真軟件CST Microwave Studio，這是一種使用有窮積分算法的3D全波計(jì)算軟件.在模擬中，奇異介質(zhì)的周圍介質(zhì)是空氣，在傳播方向上使用了自由邊界條件.入射THz波的偏振方向沿著SRR的開(kāi)口方向，此時(shí)能激發(fā)SRR的LC諧振，如圖1(a)所示電場(chǎng)E方向.鋁Al使用有損模式，其電導(dǎo)率σAl=3.77×107S/m.研究的溫度變化范圍是從160K到350K，太赫茲波段下 InSb的介電質(zhì)函數(shù)能用Drude模型來(lái)近似表示:

其中:ω是角頻率;ε∞是代表高頻值;γ是衰減系數(shù)，需要注意InSb的衰減系數(shù)γ與電荷移動(dòng)數(shù)μ成正比，其表達(dá)式為:

可見(jiàn)，γ也會(huì)與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度改變較大的時(shí)候，γ會(huì)隨著溫度的改變而改變，從而會(huì)改變InSb的吸收性質(zhì).但在此處頻率從0.1THz到2THz，溫度從160K到300K，認(rèn)為電荷移動(dòng)數(shù)的變化隨溫度的改變極小，因此可認(rèn)為γ是一個(gè)常數(shù).ωp是等離子體頻率，其表達(dá)式為

其值依賴于固有載流子濃度N，有效電荷數(shù)m*，電子電荷量e，自由空間介電常數(shù)ε0.另一方面，固有載流子濃度N與溫度T(單位:K)相關(guān).當(dāng)溫度從160K變化到350K時(shí)，InSb的載流子濃度N(單位:cm-3)變化比較大，具體表達(dá)式為:

圖2 不同溫度下石英和硅基底上的人工電磁媒質(zhì)的透射譜

其中:kB為波爾茲曼常量.可以看出，在遠(yuǎn)紅外太赫茲波段下，當(dāng)溫度T改變時(shí)，InSb載流子濃度N會(huì)改變，從而引起等離子體頻率ωp的改變，也影響InSb的介電常數(shù)ε(ω).隨著溫度的升高，εr為負(fù)數(shù)且隨著溫度的升高而減小，而εi為正數(shù)且其值隨著溫度的升高而遞增，所以隨著溫度的上升-εr(ω)/εi(ω)的值在同一頻率處也隨之增大，即材料的金屬性增強(qiáng).由于結(jié)構(gòu)中奇異介質(zhì)的一部分是由InSb構(gòu)成，因此通過(guò)改變溫度可使材料的光譜響應(yīng)特征發(fā)生一定的變化.利用CST軟件計(jì)算不同溫度下石英基底的透射曲線如圖2(a)所示.在低溫160K，InSb的固有載流子數(shù)N≈0.94×1014，此時(shí)，InSb半導(dǎo)體顯示了很典型的介質(zhì)特性，人工電磁媒質(zhì)的透射曲線在0.92THz處出現(xiàn)了很尖銳的透射谷.隨著溫度開(kāi)始增加，InSb的固有載流子濃度增強(qiáng)，同時(shí)諧振谷處頻率伴隨著非常明顯的藍(lán)移現(xiàn)象.當(dāng)溫度為290K，諧振谷藍(lán)移到1.07THz處，InSb的載流子濃度增至1.57×1016cm-3，InSb開(kāi)始顯示金屬性質(zhì).當(dāng)溫度進(jìn)一步增加至350K，InSb的載流子濃度增至5.76×1016cm-3，諧振谷頻率藍(lán)移至 1.34THz.由此可見(jiàn)，當(dāng)溫度從160K增加至350K，在保持幅值幾乎不變的情況下實(shí)現(xiàn)帶寬很大的藍(lán)移現(xiàn)象，調(diào)頻范圍高達(dá)50%.圖2(b)為硅基底體不同溫度下的透射曲線，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致.硅材料的介電常數(shù)值 εsi為 11.96.對(duì)比圖 2(a)和(b)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)將基底從石英變?yōu)楣钑r(shí)，由于諧振頻率值與基底材料有關(guān)，相同溫度下的透射曲線整體往低頻方向移動(dòng).如圖2(b)中所示，當(dāng)基底為硅基底時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了類似的調(diào)頻特性，當(dāng)溫度從160K增加到350K，諧振頻率從0.56THz藍(lán)移至0.85THz.由此可見(jiàn)，調(diào)頻主要是由于SRR開(kāi)口處插入的InSb的性質(zhì)變化而實(shí)現(xiàn)的.溫度的升高引起了載流子數(shù)目的增加，從而影響了InSb的介電性質(zhì).

為了進(jìn)一步了解頻率調(diào)制過(guò)程，用CST模擬了基底為石英時(shí)分別在160K，290K和350K溫度下諧振頻率處的電場(chǎng)分布情況.溫度的改變很明顯影響了SRR兩開(kāi)口處的電場(chǎng)分布.SRR結(jié)構(gòu)的等效LC電路，開(kāi)口處提供了電容效應(yīng).當(dāng)溫度升高，SRR開(kāi)口處置入的InSb材料開(kāi)始顯示金屬性質(zhì)，導(dǎo)致了等效電容值減小，也使開(kāi)口處電場(chǎng)強(qiáng)度減弱.

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型溫控寬帶調(diào)頻人工電磁媒質(zhì)，它是由一系列金屬SRR和置入SRR開(kāi)口處的半導(dǎo)體InSb材料構(gòu)成，通過(guò)改變溫度即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻現(xiàn)象，調(diào)頻范圍寬達(dá)50%.當(dāng)溫度改變時(shí)，半導(dǎo)體InSb材料介電性質(zhì)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的移動(dòng).本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)易于加工并為太赫茲調(diào)頻設(shè)備的靈活性提供了一定的借鑒.

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