基于超材料间相互作用的太赫兹动态调制器

万彭倩，文天龙，张怀武

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都，610054）

0 引言

太赫兹波(Terahertz wave，THz wave)是指频率在0.1～10 THz(1THz=1012Hz)，波长在 0.03～3 mm 范围内的电磁波。其作为微波和红外波中间的电磁波频段[1]，具有许多独特优异的性质，这使其在医疗[2]、成像[3]、通信[4]等方面有广阔的应用前景且有不可替代的优势。过去由于合适的太赫兹源的缺乏、探测器研究的不足等问题，严重阻碍了太赫兹波相关研究的进展。近年来，随着半导体技术、激光技术的发展，使太赫兹波的产生和探测变得容易，因此太赫兹相关的研究也得到了快速的发展，特别是在太赫兹波成像、太赫兹波通信、太赫兹光谱学等领域取得了较多的成果。

太赫兹技术的实现离不开理论和基本器件的支撑，但是现有的微波和光波的理论和器件大多都不适用于太赫兹波，因此需要专门研究相关的太赫兹理论和器件。其中太赫兹波的调控器件也是太赫兹波技术急需解决的重要瓶颈技术。阻碍太赫兹器件发展的重要原因是太赫兹波与自然界存在的物质相互作用较弱，在自然界中很难找到合适的器件所用材料[5]。为了解决这个问题，具有数十微米尺寸的人造太赫兹超材料[6]经常使用在太赫兹波调制器件中，通过这些超结构增强太赫兹波与材料之间的相互作用。这里可以通过改变超结构的形状、尺寸以及介电环境等相关材料参数来实现不同的电磁性能。其中最常见的结构有具有LC谐振特征的开口谐振环[7]（Split Resonate Ring,SRRs）和具有偶极谐振特征的微米金属条。

目前使用超结构对太赫兹波的幅度进行动态调制的方法包括：（1）通过外部激励改变超结构所处的介电环境，对谐振频率进行调谐[8]；（2）通过外部激励重构超结构，让超结构的谐振模式发生改变[9]；（3）通过MEMS改变超结构的结构参数[10]等等。这些传统的方法从太赫兹超材料本身的谐振出发，对太赫兹波进行动态调制。除此之外，超材料与超材料之间的相互作用也会严重影响超材料与太赫兹波之间的电磁响应[11]。在非对称的SRR阵列中已经观察到超材料之间强烈的耦合作用，这可能会很大程度上影响超材料阵列与太赫兹波的相互作用。因此，通过设计调节超材料之间的相互作用也是调制太赫兹波幅度和相位的另一种有效方法。

本文设计了一种基于超材料相互作用的太赫兹动态调制器。将具有LC谐振特征的双U型超结构和具有偶极谐振的微米金属条制作成耦合结构，通过对双U形环超材料与微米金属条之间的相互作用进行调控，实现对透射的太赫兹波幅度和相位的动态调制。这里相互作用调控的方式是通过温度[12]和电压[13]控制U形环开口处二氧化钒的电导率，从而实现对太赫兹波的动态调制效果。通过与只有双U型环超结构对太赫兹波调控的对比，发现通过金属条对相互作用的调控，可以获得更好的太赫兹波调制效果。

1 器件的设计、仿真与制作

二氧化钒是一种可以从绝缘态转换为金属态的金属氧化物，其相变温度为68℃。这里，在双U型太赫兹波的开口处使用二氧化钒对超材料了进行动态调制。当对样品进行加热时，双U形环开口处的二氧化钒随着温度的升高，会逐渐从绝缘态转换为金属态，使其电导率和介电常数发生较大的变化，从而实现对太赫兹波的动态调制。

超材料阵列是太赫兹调制器的主要单元，其结构的尺寸直接决定了调制器的工作频率。本文所设计的太赫兹超材料的基本单元的俯视示意图如图 1所示。其中太赫兹波垂直入射到超材料表面并穿过器件，电场方向平行于金属短条，Px= 9 6µ m, Py=180µm 。仿真中采用的是三维电磁仿真软件CST中的频域求解器进行求解，使用Floquet boundary周期边界条件约束，通过S21参数进行超材料的透射率分析。

图1 太赫兹超材料基本结构单元的俯视示意图

如图1所示，每一个U形环的中间通过一小段金属条与叉指电极相连，从而可以通过对叉指电极上施加电压对二氧化钒的电阻率进行调控。通过在双U形开口的超材料的旁边放置一条金属条如图1（a），实现对双U形开口的超材料谐振的控制，开发出基于超材料间相互作用的太赫兹波调制器件。图1（b）作为对比，仅使用双U形环对太赫兹波进行调制。通过调节图1中的几何参数，将太赫兹波谐振的频率调节到0.2-0.8 THz之间。

对超材料阵列的基本结构单元仿真完成后，通过微细加工工艺完成了太赫兹调制器的制作。操作步骤如下：

1)使用高分子辅助沉积法在蓝宝石基底上沉积一层110µm厚的二氧化钒薄膜；

2)使用丙酮、酒精、去离子水对样片进行清洗，并使用正性光刻胶进行第一次光刻，其具体操作步骤如图2所示；

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图2 光刻步骤示意图

3)用光刻胶做掩膜，使用DRIE对样品进行干法刻蚀，并完成清洗，进行第二次光刻，此次使用反性光刻胶；

4)用光刻胶做掩膜，使用磁控溅射系统在样品表面溅射一层20nm/220nm的铬/金薄膜；

5)剥离光刻胶之后形成超材料阵列和电极区域，在左右两侧的电极区域接出导线，并将其固定在订做的电路板上，完成太赫兹调制器的制作。其光学显微镜图如图3所示。

图3 样品的光学显微镜图

2 结果与讨论

2.1 CST仿真结果与分析

图4给出了双U形超材料和金属条共同作用下，太赫兹波透射率随频率变化的仿真结果。如图4中黑线所示，可以看到在二氧化钒相变前（高电阻状态），太赫兹超材料有两种谐振模式，谐振频率分别为0.55THz和0.728THz。在两个谐振频率之间存在一个高透明的窗口，其最大的透射率对应的频率为0.618THz。而二氧化钒相变后（图4中红线所示），两个谐振频率分别发生红移至0.368THz和0.605THz。高透明窗对应的谐振峰移至0.457THz。

图4 双开口U形环和金属条组成的超材料基本单元的CST透射谱仿真结果

为了研究双开口U型环与金属条之间的相互作用对超材料电磁特性的影响，我们也分别对双开口U形环超材料和金属条的透射谱做了仿真，结果如图5所示。可以明显的看到双开口U形环超材料可被入射电场直接激发，在二氧化钒相变前和相变后均为单频谐振，且在谐振频率处透射率均小于10%。其相变前谐振频率为0.54THz，相变之后谐振频率红移0.15THz。金属条的仿真透射谱如图5中的黑线所示，也是单频谐振，谐振频率为0.582THz，且其谐振频率不受二氧化钒相变特性的影响而移动。

图5 双开口U形环和金属条超材料各自的CST透射谱仿真结果

通过对比，不难发现金属条与双开口U形环超材料之间的相互作用对超材料电磁性能的影响非常大。金属条与双开口U形环超材料之间组成的谐振单元的谐振峰，不是双开口U形环和金属条各自谐振峰的简单叠加。从后面对谐振点处的电场分析，我们可以看到，通过超材料间的相互作用，双开口U形环和金属条的谐振在相互作用下具有与各自独立单元不同的谐振模式。比如金属条独立与太赫兹波作用时，其谐振峰与二氧化钒的电导率无关。而金属条和双开口U形环超材料共同与太赫兹波相互作用时，金属条固定的偶极谐振频率就不存在了，而是随二氧化钒电导率的变化发生了巨大的变化。

为了进一步分析二氧化钒相变前后双开口U型环与金属条组成的超材料阵列谐振模式的变化，以及获得超材料透明窗口的产生机理，这里我们对相变前后谐振点处和透明窗口频率处表面电流做了仿真分析，如图 6所示。

图6(b)为超材料在二氧化钒相变后的表面电流仿真图。可以看出在谐振点处金属条和双开口U形环的谐振模式均可等效为偶极谐振。不同的是，在0.368THz谐振频率处，双开口U形环的电流密度强于金属条；但在0.605THz谐振频率处，金属条的电流密度更强。透明窗口处金属条的表面电流也为明显的偶极谐振特性；双开口U形环结构的表面电流均沿结构表面振荡，也可等效为偶极谐振。不同的是，金属条和双开口U形环结构表面的电流方向相反，且密度相当，会产生相消的电磁辐射场。因此透明窗口可以看成是明-明模式耦合的电磁诱导透明现象引起的。

图6 超材料谐振点处和透明窗口频率处的表面电流分布图

2.2 温度和电压对太赫兹波的调制结果测试

为了验证超材料单元对太赫兹波的调制结果，我们使用Fico太赫兹时域光谱系统对样品进行测试，获得太赫兹波的时域谱。测试温度为20℃，湿度小于10%。通过快速傅里叶变换获得太赫兹波脉冲的频域谱，并且以空气作为参照，可以获得太赫兹波的透射谱。这里，我们通过两种方法激发二氧化钒的相变，即通过升高样品的温度和通过叉指电极对上开口处的二氧化钒加载电压。

图7 太赫兹超材料在不同温度下的测试结果(a)所示为通过升温测试得到的双开口U形环和金属条的透射谱。图中黑线为金属条超材料的测试透射谱，其谐振频率为0.592THz,调制深度为74%。图中蓝线为二氧化钒相变前即在313K温度下测得的双开口U形环的透射谱，其谐振频率0.583THz。红线为双开口U形环超材料在温度为353K时测试得到的透射谱，可以看到其在二氧化钒相变后谐振频率为0.389THz。这与仿真结果相比，基本一致。

当把金属条和双开口U形环结果放在同一周期单元时，在不同的温度下，测得的透射谱如图7 太赫兹超材料在不同温度下的测试结果(b)所示，其透射率较加入金属条之前基本不变。313K温度下，测得的谐振频率0.539THz和0.707THz。随着温度的升高至353K时，二氧化钒发生相变，测试得到的谐振频率为0.4THz和0.6THz。与仿真结果相比，较高谐振频率基本一致，但是较低谐振频率即0.4THz谐振峰蓝移了0.03THz。这可能是微细加工过程中受加工仪器精度影响，制作的超材料结构尺寸较仿真有细微的差别，但总体上，基本一致。

图7 太赫兹超材料在不同温度下的测试结果

图8为在叉指电极施加不同电压时所测得的太赫兹超材料的透射谱。可以看到超材料在未加电压时，谐振频率为0.54THz和0.716THz，其谐振谱与二氧化钒相变前的谐振谱对应。当逐渐提高电压加至4.3V时，二氧化钒发生完全相变，谐振峰频率移动至0.39THz和0.61THz。这与仿真和温度测试结果均相符。

图8 太赫兹超材料在施加不同电压时的测试结果

综上分析，文中所设计的太赫兹超材料可以实现温度和电压两种方式的动态调控，且调制结果与仿真结果基本一致，调制深度最高可达到80%。在金属条超材料引入后，与双U形环超材料产生了相互作用，在不改变谐振峰透射率的情况下，太赫兹超材料在二氧化钒相变之后实现了电磁诱导透明现象。

3 结束语

本文通过升温和外加电压的方法对太赫兹调制器进行了动态调控。在二氧化钒相变前，金属条的加入，与双U形环超材料之间发生了相互作用，形成了双频谐振；在二氧化钒相变后，实现了EIT现象，测试透射谱中的透明窗口透射率高达70%。