李照華, 楊榮草, 王佳云, 裴婭男, 趙以嘉, 張文梅
(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院, 山西 太原 030006)
超表面是一種具有亞波長(zhǎng)厚度的人工層狀復(fù)合材料, 在靈活操縱電磁波方面具有很大的應(yīng)用潛力. 由于其前所未有的電磁特性, 可廣泛應(yīng)用于隱身技術(shù)[1]、 聚焦透鏡[2]、 波前操縱[3-4]、 吸收器[5-11]和極化轉(zhuǎn)換器[12-20]等領(lǐng)域.
自從第一個(gè)金屬-絕緣體-金屬經(jīng)典結(jié)構(gòu)的完美超表面吸收器提出后[5], 許多基于不同結(jié)構(gòu)和不同材料的超表面吸收器被不斷提出[7-11]. 例如: Song等[9]基于二氧化釩(VO2)的相變特性提出了一種太赫茲吸收器, 實(shí)現(xiàn)了在窄帶吸收和寬帶吸收不同工作模式之間切換; Jeong等[10]設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)的電磁超表面吸收器, 通過(guò)控制碲化鍺薄膜的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的可調(diào)諧; Xiong等[11]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)超表面吸收器, 其吸收特性可分別通過(guò)調(diào)節(jié)鈦酸鍶的溫度和狄拉克半金屬的費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn). 另一方面, 一些精心設(shè)計(jì)的超表面可實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化轉(zhuǎn)換[12-20]. 然而, 以上提到的大多數(shù)超表面只能實(shí)現(xiàn)單一功能的吸收或極化轉(zhuǎn)換, 不能滿足一些特定的工作場(chǎng)合. 近年來(lái), 為了拓展超表面的應(yīng)用, 一些新穎的多功能超表面被提出[21-24]. 例如, Lin等[21]通過(guò)將石墨烯吸收器與金屬極化轉(zhuǎn)換器結(jié)合, 展示了一種可切換吸收和極化轉(zhuǎn)換功能的超表面; Dutta等[22]和Wang等[23]通過(guò)在單元結(jié)構(gòu)中嵌入PIN二極管分別提出了在吸收和線極化轉(zhuǎn)換模式間切換的多功能超表面; He等[24]通過(guò)在諧振器中嵌入溫控相變材料VO2提出了一種具有完美吸收和極化轉(zhuǎn)換的可切換雙功能等離子體超表面. 然而, 這些超表面僅具有吸收和一種極化轉(zhuǎn)換功能.
本文提出了一種嵌入光敏半導(dǎo)體的多功能超表面, 通過(guò)控制不同波長(zhǎng)的泵浦光照射, 可以實(shí)現(xiàn)在雙峰吸收、 寬頻和雙頻極化轉(zhuǎn)換3種功能間自由切換, 為集成吸收和極化轉(zhuǎn)換的多功能器件的設(shè)計(jì)提供了一種新的方案.
圖 1 所示為本文提出的交叉沙漏型超表面(Cross-Hourglass-Shaped Metasurface, CHSM)的4×4陣列及其單元結(jié)構(gòu)的示意圖.
圖 1 多功能超表面的原理圖
圖 1 中, 頂層為寬十字形金、 梯形光敏半導(dǎo)體材料鍺(黑色)和硅(灰色)薄膜組成的交叉沙漏型諧振器, 鍺和硅的相對(duì)介電常數(shù)分別為εGe=16.3和εSi=11.7, 其電導(dǎo)率隨泵浦光強(qiáng)度的變化而改變; 介質(zhì)層采用介電常數(shù)ε=4.3(1+i×0.025)的FR-4材料; 底層是電導(dǎo)率σgold=4.56×107S/m的連續(xù)金膜. 本結(jié)構(gòu)中金、 鍺和硅的厚度均為0.2 μm. 其他幾何參數(shù)為:P=83 μm,a=33 μm,b=41 μm,w=15 μm,l1=25 μm,l2=3.5 μm,h1=9 μm,h2=13 μm,ts=18 μm.
不同激勵(lì)條件下鍺和硅的狀態(tài)以及CHSM的工作模式如表 1 所示. 在沒(méi)有泵浦光照射時(shí), 鍺和硅都處于絕緣態(tài). 當(dāng)采用波長(zhǎng)為1 550 nm的泵浦光照射超表面時(shí), 隨著泵浦光功率的增加, 鍺的載流子被逐漸激發(fā), 電導(dǎo)率增加到5×105S/m時(shí)鍺處于金屬態(tài)[8]. 當(dāng)采用800 nm波長(zhǎng)的泵浦光照射超表面時(shí), 鍺和硅的載流子均被激發(fā), 電導(dǎo)率逐漸增加到5×105S/m, 鍺和硅表現(xiàn)出金屬態(tài). 因此, 通過(guò)控制泵浦光照射條件CHSM可以實(shí)現(xiàn)在不同的工作模式之間切換.
表 1 不同激勵(lì)條件下鍺和硅的狀態(tài)以及CHSM的工作模式
采用基于有限積分法的CST三維電磁場(chǎng)仿真軟件模擬了所提出的CHSM的吸收和極化轉(zhuǎn)換性能. 在模擬過(guò)程中, 沿X,Y軸方向設(shè)置為 unit cell邊界條件, 沿Z軸方向邊界條件設(shè)置為open (add space),Y極化太赫茲波沿Z軸負(fù)方向入射到超表面. 仿真中采用CST提供的自適應(yīng)優(yōu)化網(wǎng)格功能, 將模擬的單元晶胞結(jié)構(gòu)劃分為15 269個(gè)自適應(yīng)優(yōu)化大小不等的四面體網(wǎng)格. 這里只做了仿真研究, 所提出結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)上也是可行的, 可以通過(guò)利用犧牲層硅襯底制作獨(dú)立的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn). 在硅襯底犧牲層上通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積生長(zhǎng)出連續(xù)金膜, 在其上使用自旋涂覆法經(jīng)過(guò)熱壓制成FR-4薄板, 在FR-4板上沉積金膜, 通過(guò)電子束光刻對(duì)金膜進(jìn)行圖案化, 然后, 依次沉積并由電子束光刻出光敏鍺和光敏硅, 最后將整個(gè)結(jié)構(gòu)從硅襯底上剝離[20,25].
對(duì)于吸收模式, 吸收率可以通過(guò)公式A(ω)=1-R(ω)-T(ω)計(jì)算得出, 其中R(ω)和T(ω)分別為反射率和透射率.由于底層的連續(xù)金膜阻擋了電磁波的傳輸, 透射率T(ω)=0, 因此, 吸收率公式可簡(jiǎn)化為
A(ω)=1-R(ω)=1-|ryy|2-|rxy|2.
對(duì)于極化轉(zhuǎn)換模式, 入射Y極化太赫茲波的極化轉(zhuǎn)換率
PCR=|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2) ,
式中: |ryy|和|rxy|分別為共極化和交叉極化反射系數(shù)的幅度.
當(dāng)鍺和硅處于絕緣狀態(tài)時(shí), 位于頂層的寬十字金諧振器主導(dǎo)對(duì)電磁波的響應(yīng), CHSM工作在雙峰吸收模式. 圖 2(a) 所示為吸收率A(ω)和反射率R(ω)的曲線, 在2.26 THz和2.76 THz處的吸收率分別達(dá)到95.1%和94.4%. 為了研究CHSM在吸收模式下的工作機(jī)制, 圖 2(b) 繪制了在諧振頻率 2.26 THz 和2.76 THz處的頂層諧振器磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖.
圖 2 (a) 雙峰吸收模式的模擬結(jié)果, (b) 2.26 THz和
如圖 2 所示, 低頻吸收峰2.26 THz處的磁場(chǎng)主要分布在寬十字形金諧振器的左右金屬臂外側(cè)邊緣和拐角處, 而高頻吸收峰2.76 THz處的磁場(chǎng)則主要集中在寬十字形金諧振器的左右兩側(cè)拐角處, 這兩種不同的諧振造成了雙峰吸收.
當(dāng)鍺處于金屬態(tài), 硅處于絕緣態(tài)時(shí), CHSM的頂層等效為沿對(duì)角線方向?qū)ΨQ排列的沙漏型諧振器, 超表面工作在寬頻極化轉(zhuǎn)換模式. 模擬結(jié)果如圖 3(a) 所示, 在1.32 THz~2.15 THz范圍內(nèi)PCR大于90%, 相對(duì)帶寬達(dá)到47.8%. 此外, 模擬了CHSM的分解結(jié)構(gòu), 將硅從CHSM中移除, 其余部分構(gòu)成一個(gè)沙漏型鍺亞結(jié)構(gòu)(HS-Ge), 其諧振類(lèi)似于CHSM結(jié)構(gòu)中鍺處于金屬態(tài)硅處于絕緣態(tài)的情況.
圖 3 仿真結(jié)果
圖 3(a) 繪制了CHSM在寬頻極化轉(zhuǎn)換模式的反射系數(shù)幅度|ryy|和|rxy|, 以及CHSM和HS-Ge兩種結(jié)構(gòu)的PCR曲線圖, 由圖可見(jiàn)HS-Ge和CHSM工作在寬頻極化轉(zhuǎn)換模式下的PCR基本相同. 僅將鍺從CHSM中移除時(shí), 其余部分構(gòu)成的沙漏型硅亞結(jié)構(gòu)(HS-Si)類(lèi)似于硅處于金屬狀態(tài)鍺處于絕緣狀態(tài)時(shí)的CHSM. 如圖 3(b) 所示, HS-Si也可實(shí)現(xiàn)寬頻極化轉(zhuǎn)換, 但由于諧振器尺寸的不同, HS-Si與HS-Ge發(fā)生極化轉(zhuǎn)換的頻帶不同. 當(dāng)CHSM結(jié)構(gòu)中鍺和硅均處于金屬態(tài)時(shí), 整個(gè)交叉沙漏型諧振器對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng), 此時(shí), CHSM工作在雙頻極化轉(zhuǎn)換模式, 如圖 3(c) 所示, 在1.09 THz~1.23 THz和2.12 THz~2.23 THz 范圍內(nèi)PCR均超過(guò)90%.
對(duì)于CHSM結(jié)構(gòu)的寬頻極化轉(zhuǎn)換模式, 可以通過(guò)分解本征模來(lái)理解其物理機(jī)制. 如圖 4 中內(nèi)插圖所示, 入射的Y極化電磁波可以被分解為沿u軸和v軸的兩個(gè)分量Eiu和Eiv, 圖 4 繪制了分別入射u極化和v極化電磁波的共極化反射系數(shù)幅度|ruu|和|rvv|.在PCR較高的頻帶內(nèi), |ruu|和 |rvv| 基本相等,ruu和rvv的相位差Δφ接近 -180°, 這表明在1.32 THz~2.15 THz范圍內(nèi)入射的線極化波可以轉(zhuǎn)化為其交叉極化反射波[19].
圖 4 CHSM入射u極化和v極化電磁波時(shí)的反射系數(shù)幅度和相位差, 坐標(biāo)軸如內(nèi)插圖所示
CHSM與HS-Ge工作在寬頻極化轉(zhuǎn)換模式下的轉(zhuǎn)換特性幾乎相同, 可以通過(guò)不同諧振頻率處頂層沙漏型諧振器和底層連續(xù)金膜的表面電流分布來(lái)解釋HS-Ge寬頻極化轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制. 如圖 5 所示, 諧振頻率1.41 THz和1.71 THz處的表面電流分布相似, 頂層諧振器和底層金膜上的反向平行感應(yīng)電流沿晶胞的對(duì)角線方向分布, 形成電流回路并產(chǎn)生磁偶極子m[14], 磁偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與入射電磁波相互作用造成了極化轉(zhuǎn)換. 在諧振頻率2.11 THz處, 除了反向平行的感應(yīng)電流形成回路外, 相鄰單元之間的底部金層還存在明顯的感應(yīng)電流, 這說(shuō)明高頻諧振是由磁諧振和晶胞間的耦合共同引起的, 兩種不同的諧振疊加產(chǎn)生寬頻極化轉(zhuǎn)換.
圖 5 HS-Ge頂層諧振器和底部金層的表面電流分布
雙頻極化轉(zhuǎn)換模式的物理機(jī)制可以通過(guò)寬頻極化轉(zhuǎn)換來(lái)闡明. 圖 6 所示為HS-Si在 1.58 THz, 1.71 THz 和2.19 THz 3個(gè)不同諧振頻率處的表面電流分布, 與圖 5 所示HS-Ge的寬頻極化轉(zhuǎn)換模式類(lèi)似, HS-Si的寬帶極化轉(zhuǎn)換是由磁共振和單元晶胞間耦合共同造成的. 對(duì)比圖 6 和圖 5 可以發(fā)現(xiàn), 圖 6 中 1.71 THz 處的磁偶極子與圖 5 中 1.71 THz 處的磁偶極子相互垂直, 因此, 2個(gè)亞結(jié)構(gòu)在1.71 THz處產(chǎn)生的2個(gè)磁偶極子的合成磁場(chǎng)沿X軸方向, 與入射電磁波的磁場(chǎng)方向相同, 從而沒(méi)有發(fā)生電磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn), 這可以解釋CHSM雙頻極化轉(zhuǎn)換模式下 1.71 THz 處極化轉(zhuǎn)換的缺失. 結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的CHSM可以在不同波長(zhǎng)泵浦光激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)寬頻和雙頻極化轉(zhuǎn)換的切換.
圖 6 HS-Si頂層諧振器和底部金層的表面電流分布
以雙峰吸收模式為例討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸收性能的影響. 如圖 7(a) 所示, 當(dāng)介質(zhì)層厚度ts在16 μm~20 μm范圍內(nèi)逐漸增大時(shí), 2個(gè)吸收峰出現(xiàn)明顯的紅移, 低頻峰的吸收率逐漸增大, 高頻峰的吸收率逐漸減小, 這意味著可以通過(guò)優(yōu)化介質(zhì)層的厚度來(lái)平衡2個(gè)峰的吸收率, 從而實(shí)現(xiàn)良好的雙峰吸收. 當(dāng)介質(zhì)層厚度ts=18 μm時(shí), 2個(gè)吸收峰的吸收率均大于94%. 如圖 7(b) 所示, 當(dāng)十字形金屬的臂長(zhǎng)l1從23 μm增加到27 μm時(shí), 吸收譜有輕微的紅移.
圖 7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的吸收率
隨著l1的增大, 低頻吸收峰減小, 高頻吸收峰增大, 當(dāng)l1=25 μm時(shí), CHSM可以實(shí)現(xiàn)高效的雙峰吸收. 因此, 通過(guò)參數(shù)優(yōu)化可以得到最佳吸收特性.
通過(guò)在寬十字形金屬諧振器的末端嵌入光敏鍺和硅, 提出了一種可在雙峰吸收模式、 寬頻極化轉(zhuǎn)換模式和雙頻極化轉(zhuǎn)換模式之間切換的多功能超表面. 當(dāng)無(wú)泵浦光照射時(shí), 超表面工作于雙峰吸收模式, 在吸收峰2.26 THz和2.76 THz處的吸收率分別為95.1%和94.4%; 當(dāng)采用 1 550 nm 泵浦光照射超表面時(shí), 其工作在寬頻極化轉(zhuǎn)換模式, 在1.32 THz~2.15 THz頻帶內(nèi)PCR超過(guò)90%, 相對(duì)帶寬達(dá)到47.8%; 當(dāng)采用800 nm泵浦光照射超表面時(shí), 其工作在雙頻極化轉(zhuǎn)換模式, 在 1.09 THz~1.23 THz 和 2.12 THz~2.23 THz兩個(gè)頻帶內(nèi), PCR均超過(guò)90%. 通過(guò)分析磁場(chǎng)分布, 和表面電流分布解釋了超表面工作在不同模式時(shí)的物理機(jī)制, 并以吸收模式為例討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸收功能的影響. 該超表面具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 厚度較薄等優(yōu)點(diǎn), 有望應(yīng)用于未來(lái)太赫茲多功能器件的設(shè)計(jì).