一種基于光敏半導體的多功能交叉沙漏型超表面

李照華， 楊榮草， 王佳云， 裴婭男， 趙以嘉， 張文梅

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

超表面是一種具有亞波長厚度的人工層狀復合材料， 在靈活操縱電磁波方面具有很大的應用潛力. 由于其前所未有的電磁特性， 可廣泛應用于隱身技術[1]、 聚焦透鏡[2]、 波前操縱[3-4]、 吸收器[5-11]和極化轉換器[12-20]等領域.

自從第一個金屬-絕緣體-金屬經典結構的完美超表面吸收器提出后[5]， 許多基于不同結構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]設計了一種可重構的電磁超表面吸收器， 通過控制碲化鍺薄膜的狀態(tài)來實現諧振頻率的可調諧； Xiong等[11]設計了一種可調超表面吸收器， 其吸收特性可分別通過調節(jié)鈦酸鍶的溫度和狄拉克半金屬的費米能級實現. 另一方面， 一些精心設計的超表面可實現線極化或圓極化轉換[12-20]. 然而， 以上提到的大多數超表面只能實現單一功能的吸收或極化轉換， 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換器結合， 展示了一種可切換吸收和極化轉換功能的超表面； Dutta等[22]和Wang等[23]通過在單元結構中嵌入PIN二極管分別提出了在吸收和線極化轉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換功能.

本文提出了一種嵌入光敏半導體的多功能超表面， 通過控制不同波長的泵浦光照射， 可以實現在雙峰吸收、 寬頻和雙頻極化轉換3種功能間自由切換， 為集成吸收和極化轉換的多功能器件的設計提供了一種新的方案.

1 結構設計與原理

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陣列及其單元結構的示意圖.

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分別為εGe=16.3和εSi=11.7， 其電導率隨泵浦光強度的變化而改變； 介質層采用介電常數ε=4.3(1+i×0.025)的FR-4材料； 底層是電導率σgold=4.56×107S/m的連續(xù)金膜. 本結構中金、 鍺和硅的厚度均為0.2 μm. 其他幾何參數為：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)， 電導率增加到5×105S/m時鍺處于金屬態(tài)[8]. 當采用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)， 電導率逐漸增加到5×105S/m， 鍺和硅表現出金屬態(tài). 因此， 通過控制泵浦光照射條件CHSM可以實現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的吸收和極化轉換性能. 在模擬過程中， 沿X，Y軸方向設置為 unit cell邊界條件， 沿Z軸方向邊界條件設置為open (add space)，Y極化太赫茲波沿Z軸負方向入射到超表面. 仿真中采用CST提供的自適應優(yōu)化網格功能， 將模擬的單元晶胞結構劃分為15 269個自適應優(yōu)化大小不等的四面體網格. 這里只做了仿真研究， 所提出結構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-金屬結構的方法來實現. 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， 最后將整個結構從硅襯底上剝離[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.

對于極化轉換模式， 入射Y極化太赫茲波的極化轉換率

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的幅度.

2 結果和討論

2.1 雙峰吸收模式

當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對電磁波的響應， 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/雙頻極化轉換模式

當鍺處于金屬態(tài)， 硅處于絕緣態(tài)時， CHSM的頂層等效為沿對角線方向對稱排列的沙漏型諧振器， 超表面工作在寬頻極化轉換模式. 模擬結果如圖 3(a) 所示， 在1.32 THz～2.15 THz范圍內PCR大于90%， 相對帶寬達到47.8%. 此外， 模擬了CHSM的分解結構， 將硅從CHSM中移除， 其余部分構成一個沙漏型鍺亞結構(HS-Ge)， 其諧振類似于CHSM結構中鍺處于金屬態(tài)硅處于絕緣態(tài)的情況.

圖 3 仿真結果

圖 3(a) 繪制了CHSM在寬頻極化轉換模式的反射系數幅度|ryy|和|rxy|， 以及CHSM和HS-Ge兩種結構的PCR曲線圖， 由圖可見HS-Ge和CHSM工作在寬頻極化轉換模式下的PCR基本相同. 僅將鍺從CHSM中移除時， 其余部分構成的沙漏型硅亞結構(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也可實現寬頻極化轉換， 但由于諧振器尺寸的不同， HS-Si與HS-Ge發(fā)生極化轉換的頻帶不同. 當CHSM結構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生響應， 此時， CHSM工作在雙頻極化轉換模式， 如圖 3(c) 所示， 在1.09 THz～1.23 THz和2.12 THz～2.23 THz 范圍內PCR均超過90%.

2.3 極化轉換模式物理機制

對于CHSM結構的寬頻極化轉換模式， 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幅度|ruu|和|rvv|.在PCR較高的頻帶內， |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范圍內入射的線極化波可以轉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幅度和相位差， 坐標軸如內插圖所示

CHSM與HS-Ge工作在寬頻極化轉換模式下的轉換特性幾乎相同， 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電流沿晶胞的對角線方向分布， 形成電流回路并產生磁偶極子m[14]， 磁偶極子產生的感應磁場與入射電磁波相互作用造成了極化轉換. 在諧振頻率2.11 THz處， 除了反向平行的感應電流形成回路外， 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生寬頻極化轉換.

圖 5 HS-Ge頂層諧振器和底部金層的表面電流分布

雙頻極化轉換模式的物理機制可以通過寬頻極化轉換來闡明. 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的寬頻極化轉換模式類似， HS-Si的寬帶極化轉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， 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個亞結構在1.71 THz處產生的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， 這可以解釋CHSM雙頻極化轉換模式下 1.71 THz 處極化轉換的缺失. 結果表明， 所設計的CHSM可以在不同波長泵浦光激勵條件下實現寬頻和雙頻極化轉換的切換.

圖 6 HS-Si頂層諧振器和底部金層的表面電流分布

2.4 結構參數分析

以雙峰吸收模式為例討論了結構參數對吸收性能的影響. 如圖 7(a) 所示， 當介質層厚度ts在16 μm～20 μm范圍內逐漸增大時， 2個吸收峰出現明顯的紅移， 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)化介質層的厚度來平衡2個峰的吸收率， 從而實現良好的雙峰吸收. 當介質層厚度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 不同結構參數對應的吸收率

隨著l1的增大， 低頻吸收峰減小， 高頻吸收峰增大， 當l1=25 μm時， CHSM可以實現高效的雙峰吸收. 因此， 通過參數優(yōu)化可以得到最佳吸收特性.

3 結 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、 寬頻極化轉換模式和雙頻極化轉換模式之間切換的多功能超表面. 當無泵浦光照射時， 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%； 當采用 1 550 nm 泵浦光照射超表面時， 其工作在寬頻極化轉換模式， 在1.32 THz～2.15 THz頻帶內PCR超過90%， 相對帶寬達到47.8%； 當采用800 nm泵浦光照射超表面時， 其工作在雙頻極化轉換模式， 在 1.09 THz～1.23 THz 和 2.12 THz～2.23 THz兩個頻帶內， 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構參數對吸收功能的影響. 該超表面具有結構簡單、 厚度較薄等優(yōu)點， 有望應用于未來太赫茲多功能器件的設計.