龍 潔， 李九生

中國(guó)計(jì)量大學(xué)太赫茲研究所， 浙江 杭州 310018

引 言

近年來(lái)， 隨著太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用的快速發(fā)展， 各類(lèi)太赫茲控制器件需求也隨之增加， 其中包括太赫茲開(kāi)關(guān)[1]、 太赫茲分束器[2]、 太赫茲吸收器[3]、 太赫茲調(diào)制器[4]和太赫茲濾波器[5]等。 作為太赫茲系統(tǒng)重要器件之一， 太赫茲波移相器成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。 2004年， Chen[6]等提出一種在液晶盒內(nèi)部嵌入金屬條形結(jié)構(gòu)的太赫茲移相器， 室溫下可實(shí)現(xiàn)4.07°相移量。 2014年， Yang[7]等提出了一種以氧化銦錫作為電極材料透射型太赫茲移相器， 該移相器能夠在5.66 V的電壓下實(shí)現(xiàn)90°相移。 2016年， Fan[8]等提出了一種將液晶填充于石英基底的太赫茲移相器， 該移相器在0.2～1 THz頻段能產(chǎn)生270°相移。 2017年， Chodorow等[9]提出在氧化銦錫電極上構(gòu)造光柵結(jié)構(gòu)太赫茲移相器可實(shí)現(xiàn)180°相移量。 2018年， Xia[10]等研究在石英基板上印刷兩個(gè)長(zhǎng)度不等的偶極子來(lái)構(gòu)造一種反射式太赫茲移相器， 該移相器諧實(shí)現(xiàn)最大相移量331°。 2016年， Du[11]等提出一種由石英層、 電極層、 E7液晶層、 電極層、 石英層組成的電控太赫茲移相器， 實(shí)現(xiàn)129.4°相移量。 2019年， Kuo等[12]提出以CMOS電路驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)計(jì)透射式太赫茲移相器， 實(shí)現(xiàn)360°相移。 已有移相器存在著尺寸較大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 相移量較小等問(wèn)題， 為克服上述缺陷， 本文設(shè)計(jì)了一種光柵-液晶復(fù)合結(jié)構(gòu)太赫茲移相器， 在液晶盒底部嵌入硅光柵結(jié)構(gòu)， 在頻率0.39～0.46 THz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)400°相移量， 回波損耗均小于-11 dB， 其中在頻率0.43 THz處獲得422°相移量， 在太赫茲波入射角0°～30°內(nèi)對(duì)太赫茲移相器的相移量沒(méi)有影響， 并且該器件對(duì)入射太赫茲波的偏振不敏感。 該太赫茲移相器具有器件結(jié)構(gòu)尺寸小， 相移量大， 便于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)， 在未來(lái)太赫茲通信、 安檢、 醫(yī)療、 傳感、 成像等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

提出太赫茲移相器三維結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示， 器件從上到下依次為石英層、 石墨烯電極層、 液晶盒、 硅光柵結(jié)構(gòu)層以及石墨烯電極層和石英層。 其中硅光柵結(jié)構(gòu)分布在液晶盒底層， 光柵結(jié)構(gòu)層所用材料為高阻硅， 相對(duì)介電常數(shù)為ε1=11.9， 高度為h1=20 μm。 二氧化硅材料的相對(duì)介電常數(shù)為ε0=3.9， 厚度為h0=260 μm， 液晶盒高度h2=20 μm。 液晶盒上下表面的石墨烯層作為電極。 液晶盒底部的周期性硅光柵層結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示。

圖1 太赫茲移相器(a)： 三維結(jié)構(gòu)示意圖； (b)： 底層硅光柵結(jié)構(gòu)示意圖；(c)： 太赫茲波在太赫茲移相器中傳輸模型Fig.1 Schematic diagram of terahertz phase shifter

當(dāng)太赫茲波入射到所設(shè)計(jì)的移相器結(jié)構(gòu)時(shí)， 液晶盒下部分布的周期性硅光柵起到了分光作用， 因而不同衍射級(jí)上出現(xiàn)亮暗條紋， 并且在相鄰光束之間產(chǎn)生相位差。 不考慮介質(zhì)層吸收和石墨烯電極的厚度， 液晶盒下部分布的周期性硅光柵物理模型如圖1(c)所示。 當(dāng)太赫茲波沿著光線1透過(guò)光柵結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相位延遲可以表示為

可以得到太赫茲波沿著光線1和光線2所產(chǎn)生相位差為

光柵結(jié)構(gòu)透過(guò)率可以通過(guò)式(4)計(jì)算得到

式(6)中， fx=sinθ/λ， 各級(jí)太赫茲波通過(guò)該結(jié)構(gòu)的衍射效率表達(dá)式可表示為

ηm=U2(fx)*U2(fx)=|cm|2

(7)

太赫茲波通過(guò)該光柵結(jié)構(gòu)衍射效率可以表示為[13]

式(8)中， ρ為占空比ρ=a/d。

2 結(jié)果與討論

本文所采用的液晶材料為GT3-23001， 未加電狀態(tài)下液晶介電常數(shù)記為ε⊥， 加電狀態(tài)下液晶介電常數(shù)記為ε∥， 具體取值為ε⊥=2.47，tanδ⊥=0.03， ε∥=3.26，tanδ∥=0.02。 圖2為不同光柵周期下太赫茲波衍射效率。 當(dāng)光柵常數(shù)d=60μm時(shí)， 衍射效率曲線關(guān)于第0衍射級(jí)呈對(duì)稱(chēng)分布， 在第0衍射級(jí)的衍射效率最高， 達(dá)到了99.8%。 在第±5衍射級(jí)達(dá)到80%衍射效率， 在第±2衍射級(jí)、 第±4衍射級(jí)、 第±6衍射級(jí)、 第±8衍射級(jí)、 第±10衍射級(jí)時(shí)這幾個(gè)偶數(shù)級(jí)衍射效率為0。 在第±1衍射級(jí)、 第±3衍射級(jí)、 第±7衍射級(jí)、 第±9衍射級(jí)產(chǎn)生較小衍射峰， 超過(guò)第±10衍射級(jí)的高衍射級(jí)太赫茲波衍射效率均為0。 隨著光柵常數(shù)的增大， 衍射曲線總體分布特征并未改變， 而各衍射級(jí)太赫茲波衍射效率有不同程度增加。

圖2 不同光柵常數(shù)下太赫茲波衍射效率Fig.2 Terahertz waves diffraction efficiencyunder different grating constants

為了探究不同光柵常數(shù)下太赫茲波通過(guò)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的衍射效率規(guī)律， 本文計(jì)算了光柵常數(shù)為d=60 μm，d=61 μm，d=62 μm，d=63 μm，d=64 μm和d=65 μm時(shí)太赫茲波衍射強(qiáng)度如圖3(a)—(f)所示。 當(dāng)光柵常數(shù)在60～65 μm范圍內(nèi)變化時(shí)， 太赫茲波衍射強(qiáng)度最強(qiáng)的位置均集中在第0衍射級(jí)， 此時(shí)衍射效率最高， 在第±5衍射級(jí)太赫茲波衍射強(qiáng)度較強(qiáng)， 且在該衍射級(jí)邊緣出現(xiàn)兩種不同強(qiáng)度的光斑， 這是因?yàn)楣鈻沤Y(jié)構(gòu)起到了分光作用。 在第±2衍射級(jí)、 第±4衍射級(jí)、 第±6衍射級(jí)、 第±8衍射級(jí)、 第±10衍射級(jí)這幾個(gè)偶數(shù)級(jí)和超過(guò)±10的高衍射級(jí)時(shí)， 太赫茲波衍射強(qiáng)度最弱， 對(duì)應(yīng)衍射效果最差。

圖3 不同光柵常數(shù)下太赫茲波衍射強(qiáng)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

不同液晶材料介電常數(shù)ε⊥=2.47(無(wú)外加電場(chǎng))和ε∥=3.26(有外加電場(chǎng))太赫茲波通過(guò)移相器衍射效率如圖4所示， 與之對(duì)應(yīng)的太赫茲波衍射強(qiáng)度如圖5。 從圖4中可以發(fā)現(xiàn)， 衍射效率最高的點(diǎn)集中在0衍射級(jí)。 當(dāng)加電時(shí)達(dá)到臨界介電常數(shù)之后， 在第4和-4衍射級(jí)中出現(xiàn)了高達(dá)80%衍射效率， 太赫茲波入射到光柵結(jié)構(gòu)且發(fā)生衍射之后主要的能量一直集中在第0級(jí)衍射光斑中。 由于液晶材料具有各向異性， 在未加電時(shí)液晶微粒的光軸無(wú)序排列， 此時(shí)液晶材料的有效折射率與基體折射率不匹配， 對(duì)入射太赫茲波呈強(qiáng)烈的散射態(tài)， 無(wú)法透過(guò)移相器； 當(dāng)施加偏置電壓時(shí)， 液晶微粒的光軸將逐漸沿電場(chǎng)方向取向， 液晶分子的有效折射率與石英基體的折射率得到了匹配， 太赫茲波可透過(guò)此器件呈現(xiàn)透明狀態(tài)， 而所設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波入射方向進(jìn)行選擇的作用。 當(dāng)液晶材料介電常數(shù)ε⊥=2.47， 大部分能量都集中在低衍射級(jí)次的光斑上， 更高級(jí)次的衍射光斑光強(qiáng)偏弱。 當(dāng)液晶介電常數(shù)達(dá)到飽和態(tài)ε∥=3.26時(shí)， 液晶微粒絕大部分沿電場(chǎng)方向取向， 透過(guò)太赫茲波最強(qiáng)， 衍射級(jí)次也就最多， 光柵結(jié)構(gòu)的衍射強(qiáng)度或衍射級(jí)次是可通過(guò)電場(chǎng)靈活調(diào)控。

圖4 不同液晶材料介電常數(shù)ε⊥=2.47(無(wú)外加電場(chǎng))和ε∥=3.26(有外加電場(chǎng))下太赫茲波通過(guò)移相器的衍射效率

圖5 不同液晶材料介電常數(shù)下太赫茲波衍射強(qiáng)度(a)： ε⊥=2.47； (b)： ε∥=3.26Fig.5 Terahertz wave diffraction intensity at different dielectric constants of liquid crystal materials

從未加電狀態(tài)到穩(wěn)定加電狀態(tài)之間， 隨著液晶介電常數(shù)的不斷增大， 所設(shè)計(jì)太赫茲移相器的相移量也相應(yīng)增大， 不同液晶材料介電常數(shù)下透過(guò)移相器太赫茲波相位曲線如圖6所示。 當(dāng)液晶介電常數(shù)分別取為ε⊥=2.47和ε∥=3.26時(shí)，太赫茲移相器的相移量差值最明顯。 在0.39～0.46 THz(帶寬為70 GHz)頻段范圍內(nèi)， 所設(shè)計(jì)太赫茲移相器的相移量均超過(guò)400°。 當(dāng)頻率f=0.39 THz和f=0.46 THz時(shí)， 太赫茲移相器的相移量分別達(dá)到了405°和410°， 而且在頻率為f=0.43 THz時(shí)， 獲得太赫茲移相器的最大相移量為422°。

圖6 不同液晶材料介電常數(shù)下太赫茲波移 相器的相位曲線Fig.6 Phase curves of terahertz waves phase shifter under different dielectric constants of liquid crystal

在不改變其他條件的情況下， 分別對(duì)太赫茲波移相器在頻率為f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz時(shí)， 各頻點(diǎn)相移曲線如圖7(a)所示。 從圖中計(jì)算結(jié)果可以得知， 當(dāng)液晶材料的介電常數(shù)在2.47～3.26之間變化時(shí)， 頻率f=0.39 THz， 相位從-174.5°遞減至-575.5°， 最大相移量達(dá)到401°。 頻率f=0.43 THz， 相位從-232.2°遞減至-642.2°， 最大相移量達(dá)到410°。 頻率f=0.46 THz， 相位從-301.5°遞減至-701.5°， 最大相移量為400°。 圖7(a)給出了不同入射角下， 當(dāng)入射太赫茲波頻率f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz時(shí)相位曲線， 由圖可知該移相器在太赫茲波入射角0～30°范圍內(nèi)， 太赫茲移相器的相移量保持不變， 因此太赫茲移相器對(duì)入射角度變化不敏感。 分別對(duì)該三個(gè)頻率點(diǎn)在TE和TM兩種偏振下的相位曲線進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果如7(b)所示， 可見(jiàn)該移相器對(duì)入射太赫茲波的偏振不敏感。 太赫茲波移相器回波損耗曲線和插入損耗曲線如圖8所示， 從圖8(a)可以看出在頻率范圍0.39～0.46 THz， 隨著液晶介電常數(shù)不斷增大， 該太赫茲波移相器所產(chǎn)生的回波損耗也不斷增大， 但均保持在-11 dB范圍內(nèi)。 從圖8(b)可以看出該太赫茲波移相器的插入損耗隨著液晶材料介電常數(shù)的增大而減小。

圖7 太赫茲波移相器的相位曲線(a)： 不同入射角下單頻點(diǎn)相位曲線； (b)： TE和TM偏振下單頻點(diǎn)相位曲線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

圖8 太赫茲波移相器損耗曲線(a)： 回波損耗； (b)： 插入損耗Fig.8 Terahertz wave phase shifter loss curve(a)： Return loss； (b)： Insertion loss

4 結(jié) 論

提出一種光柵-液晶復(fù)合結(jié)構(gòu)太赫茲移相器， 在0.39～0.46 THz頻率范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)相移量超過(guò)400°。 在頻率f=0.43 THz處實(shí)現(xiàn)最大相移量為422°。 太赫茲波的入射角0°～30°范圍改變情況下， 相移量保持不變， 太赫茲波相移器對(duì)入射角變化不敏感， 同時(shí)該相移器對(duì)入射太赫茲波的偏振狀態(tài)也不敏感。 由于所設(shè)計(jì)的太赫茲波相移器具有小型化、 相移量大等優(yōu)點(diǎn)， 在太赫茲波傳感、 醫(yī)療成像等方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。