徐誠宇 李泉 尹竑森 楊子榆 劉懿瑩

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院 天津 300222

1 背景簡介

最近幾年，關(guān)于太赫茲的科學(xué)和技術(shù)報(bào)道層出不窮，很多研究小組相繼投身到太赫茲源和太赫茲探測器的研究中去。然而，想要有效地使用太赫茲相關(guān)的技術(shù)，除了要有發(fā)射和探測裝置，還要功能器件與之相配套使用。而如今與其相關(guān)的器件還十分匱乏，這也大大地限制了太赫茲的發(fā)展[1-3]。這一問題出現(xiàn)的重要原因是許多自然界中的常規(guī)材料在太赫茲波段沒有響應(yīng)。超材料的出現(xiàn)為解決上述問題提供了途徑。超材料是一種具有特殊性質(zhì)的人工合成材料，其折射率和磁導(dǎo)率等參數(shù)可以由人來完成改變，甚至可以改變成負(fù)數(shù)，這就使得人們可以按照實(shí)際情況改變材料的特殊性能[4-7]。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往希望超材料可以在電壓、光泵等外界激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)對太赫茲的主動(dòng)調(diào)控行為。因此，常常需要在超材料結(jié)構(gòu)中置入硅、二氧化釩、石墨烯等可控材料[8-10]。本文采用模擬仿真的方法，應(yīng)用石墨烯電導(dǎo)率可被人為調(diào)控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于超材料的主動(dòng)式太赫茲幅值調(diào)制器[11]。

2 樣品結(jié)構(gòu)與仿真設(shè)計(jì)

本文采用CST軟件來設(shè)計(jì)基于超材料的樣品結(jié)構(gòu)，并對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真。本文采用如圖1（a）所示的多間隙超材料結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩部分組成，最底層為高阻硅基底，其厚度為630μm，高阻硅之上為200nm厚的金屬材料結(jié)構(gòu)。金屬選用焦耳損耗很小的鋁，以此減少金屬的非輻射損耗，降低實(shí)驗(yàn)誤差。金屬結(jié)構(gòu)是在矩形環(huán)四開口環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行對角線全連接，并在中心截出一個(gè)圓形的空隙，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈中心全對稱。單元結(jié)構(gòu)中具體尺寸如下：金屬結(jié)構(gòu)的長、寬為a=b=40μm，金屬線寬w=4.5μm，開口間隔g=5μm，中間所截圓形空隙的半徑r=5μm。為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控，在超材料結(jié)構(gòu)的中心圓形間隙中鋪上一層石墨烯。在仿真中，如圖1（b）所示，太赫茲波沿-z方向垂直入射到樣品表面，太赫茲電場方向?yàn)閤方向。硅基底的介電常數(shù)設(shè)置ε= 11.78，金屬鋁的電導(dǎo)率設(shè)置為σ = 3.72×107 S/m。石墨烯厚度設(shè)置為1nm，仿真中通過改變費(fèi)米能級數(shù)值來改變石墨烯的電導(dǎo)率。

圖1 超材料結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

仿真得到的透射曲線如圖2所示。超材料結(jié)構(gòu)在石墨烯費(fèi)米能級為0.8eV條件下，通過x極化方向入射，從圖中可以看出在0.6THz附近的高頻范圍出現(xiàn)了一個(gè)明顯的LC共振，而隨著費(fèi)米能級的不斷減小，LC共振逐漸減弱。當(dāng)費(fèi)米能級減小到0.2eV時(shí)，LC共振基本消失。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)就為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)制提供了可行方案，實(shí)驗(yàn)中可采用光泵的形式改變石墨烯的電導(dǎo)率。

圖2 不同費(fèi)米能級下的透射系數(shù)

為了進(jìn)一步研究上述LC共振的主動(dòng)調(diào)制現(xiàn)象，我們仿真了不同石墨烯電導(dǎo)率下的超材料表面電流分布，如圖三所示。當(dāng)石墨烯的費(fèi)米能級較高時(shí)，可看到上下間隙中所積累的電荷的方向是完全相反的，此時(shí)的超材料結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為兩個(gè)有效電容器?？梢奓C諧振模式是清晰顯著的，如圖3（d）所示。而隨著石墨烯費(fèi)米能級的減小，電流強(qiáng)度減弱，LC諧振模式也隨之明顯減弱，如圖3（a）（b）（c）所示。

圖3 不同費(fèi)米能級下超材料的表面電流分布

4 結(jié)束語

本文通過仿真的形式，在理論上提出了一種基于超材料和石墨烯的太赫茲主動(dòng)調(diào)制器件，而且對太赫茲透射系數(shù)的調(diào)制效果非常好。該主動(dòng)調(diào)制現(xiàn)象在太赫茲應(yīng)用技術(shù)，如太赫茲通信、太赫茲等離子工程、基于石墨烯的超材料等方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。