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)計了一種可重構(gòu)的電磁超表面吸收器， 通過控制碲化鍺薄膜的狀態(tài)來實現(xiàn)諧振頻率的可調(diào)諧； Xiong等[11]設(shè)計了一種可調(diào)超表面吸收器， 其吸收特性可分別通過調(diào)節(jié)鈦酸鍶的溫度和狄拉克半金屬的費米能級實現(xiàn). 另一方面， 一些精心設(shè)計的超表面可實現(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合. 近年來， 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， 通過控制不同波長的泵浦光照射， 可以實現(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)計提供了一種新的方案.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理

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. 在沒有泵浦光照射時， 鍺和硅都處于絕緣態(tài). 當(dāng)采用波長為1 550 nm的泵浦光照射超表面時， 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時鍺處于金屬態(tài)[8]. 當(dāng)采用800 nm波長的泵浦光照射超表面時， 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， 通過控制泵浦光照射條件CHSM可以實現(xiàn)在不同的工作模式之間切換.

表 1 不同激勵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)在實驗上也是可行的， 可以通過利用犧牲層硅襯底制作獨立的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的方法來實現(xiàn). 在硅襯底犧牲層上通過電子束蒸發(fā)沉積生長出連續(xù)金膜， 在其上使用自旋涂覆法經(jīng)過熱壓制成FR-4薄板， 在FR-4板上沉積金膜， 通過電子束光刻對金膜進行圖案化， 然后， 依次沉積并由電子束光刻出光敏鍺和光敏硅， 最后將整個結(jié)構(gòu)從硅襯底上剝離[20,25].

對于吸收模式， 吸收率可以通過公式A(ω)=1-R(ω)-T(ω)計算得出， 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， 吸收率公式可簡化為

A(ω)=1-R(ω)=1-|ryy|2-|rxy|2.

對于極化轉(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.

2 結(jié)果和討論

2.1 雙峰吸收模式

當(dāng)鍺和硅處于絕緣狀態(tài)時， 位于頂層的寬十字金諧振器主導(dǎo)對電磁波的響應(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處的吸收率分別達到95.1%和94.4%. 為了研究CHSM在吸收模式下的工作機制， 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強度分布圖.

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.

2.2 寬頻/雙頻極化轉(zhuǎn)換模式

當(dāng)鍺處于金屬態(tài)， 硅處于絕緣態(tài)時， CHSM的頂層等效為沿對角線方向?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%， 相對帶寬達到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)成一個沙漏型鍺亞結(jié)構(gòu)(HS-Ge)， 其諧振類似于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， 其余部分構(gòu)成的沙漏型硅亞結(jié)構(gòu)(HS-Si)類似于硅處于金屬狀態(tài)鍺處于絕緣狀態(tài)時的CHSM. 如圖 3(b) 所示， HS-Si也可實現(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， 整個交叉沙漏型諧振器對電磁波產(chǎn)生響應(yīng)， 此時， 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90%.

2.3 極化轉(zhuǎn)換模式物理機制

對于CHSM結(jié)構(gòu)的寬頻極化轉(zhuǎn)換模式， 可以通過分解本征模來理解其物理機制. 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解釋HS-Ge寬頻極化轉(zhuǎn)換的物理機制. 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)換模式的物理機制可以通過寬頻極化轉(zhuǎn)換來闡明. 圖 6 所示為HS-Si在 1.58 THz, 1.71 THz 和2.19 THz 3個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個亞結(jié)構(gòu)在1.71 THz處產(chǎn)生的2個磁偶極子的合成磁場沿X軸方向， 與入射電磁波的磁場方向相同， 從而沒有發(fā)生電磁場方向偏轉(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)計的CHSM可以在不同波長泵浦光激勵條件下實現(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

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

以雙峰吸收模式為例討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸收性能的影響. 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， 2個吸收峰出現(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， 這意味著可以通過優(yōu)化介質(zhì)層的厚度來平衡2個峰的吸收率， 從而實現(xiàn)良好的雙峰吸收. 當(dāng)介質(zhì)層厚度ts=18 μm時， 2個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l1從23 μm增加到27 μm時， 吸收譜有輕微的紅移.

圖 7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(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， CHSM可以實現(xiàn)高效的雙峰吸收. 因此， 通過參數(shù)優(yōu)化可以得到最佳吸收特性.

3 結(jié) 論

通過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)無泵浦光照射時， 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， 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90%， 相對帶寬達到47.8%； 當(dāng)采用800 nm泵浦光照射超表面時， 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兩個頻帶內(nèi)， PCR均超過90%. 通過分析磁場分布， 和表面電流分布解釋了超表面工作在不同模式時的物理機制， 并以吸收模式為例討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸收功能的影響. 該超表面具有結(jié)構(gòu)簡單、 厚度較薄等優(yōu)點， 有望應(yīng)用于未來太赫茲多功能器件的設(shè)計.