摘要：

目前，光控太赫茲波超材料主要是利用激光改變半導(dǎo)體材料的載流子濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體材料的復(fù)合壽命一般為納秒量級(jí)，因此調(diào)控時(shí)間受到了限制。與半導(dǎo)體材料相比，二硫化碳（CS2）的光響應(yīng)速度很快，只有1.68 ps，并且也具有較大的光學(xué)非線性。以亞波長(zhǎng)周期金屬塊陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了利用CS2來(lái)實(shí)現(xiàn)超材料太赫茲透射調(diào)控的方案。具體利用時(shí)域有限差分法（FDTD）研究了該結(jié)構(gòu)的太赫茲波透射調(diào)控。

0 引言

太赫茲（Terahertz，THz）波是介于毫米波與紅外光之間的電磁波，其頻率范圍為100 GHz~10 THz［1］。太赫茲技術(shù)在生物分子識(shí)別［2］、醫(yī)療領(lǐng)域的成像與識(shí)別［3-9］、天文學(xué)探測(cè)傳感器［10］和顯微鏡技術(shù)［11-12］等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用，引起了人們廣泛的關(guān)注。隨著太赫茲技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)和制作太赫茲波段的調(diào)控器件變得非常迫切。由于自然材料對(duì)太赫茲波段缺乏適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，人們把目光轉(zhuǎn)移到了人工設(shè)計(jì)的超構(gòu)材料的研發(fā)當(dāng)中［13］。超構(gòu)材料又稱超材料，最先由WALSER A R M等人［14］提出，指人工制造的亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)材料，一般是由亞波長(zhǎng)周期金屬結(jié)構(gòu)組成的。與一般的天然材料相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)的折射率［15］、逆多普勒效應(yīng)和逆切倫科夫輻射［16］等特殊的電磁現(xiàn)象。在過(guò)去十多年中，太赫茲波段超材料引起了人們極大的興趣［17-34］。2008 年，TAO H等人［17］利用表面微加工技術(shù)在半絕緣GaAs基片上制備了“雙開(kāi)口SRRs-介質(zhì)層 金屬線”結(jié)構(gòu)，其在共振頻率1.3 THz處對(duì)入射波的吸收率達(dá)到了70%。

2009年，OLIVER P等人［18］設(shè)計(jì)并制作了兩種基于超材料的太赫茲濾波器，分別為線板結(jié)構(gòu)和十字槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)激發(fā)低損的“誘捕模”，使得傳輸通帶的透射率超過(guò)80%，阻帶的透射得到明顯抑制。同年，WEIS P等人［19］利用制備在BCB板上的“斷續(xù)線對(duì)”銅制金屬周期結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作出高透射率的λ/4和λ/2波片，透射波強(qiáng)度分別超過(guò)74%和58%。2013年，Li Jiusheng等人［20］設(shè)計(jì)并制備了雙耳異向單頻帶太赫茲吸波材料，其在0.573 THz處吸收率達(dá)到了99.6%。以上提到的器件都屬于被動(dòng)調(diào)控器件，一旦結(jié)構(gòu)確定，其對(duì)太赫茲波的響應(yīng)也就相應(yīng)確定了。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波段超材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控，人們引入了溫度場(chǎng)［21-22］、電場(chǎng)［23-24］、磁場(chǎng)［25］、機(jī)械場(chǎng)［26-27］、光場(chǎng)［28-33］，提出了各種結(jié)構(gòu)的可調(diào)控的超材料。與其他調(diào)控方式相比，光場(chǎng)的調(diào)控方式具有時(shí)間響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是研究最多的調(diào)控方式。2005年，德國(guó)的Kurz研究組［28］首次研究了基于太赫茲超材料的全光調(diào)制器，他們利用半導(dǎo)體隨泵浦光功率不同而趨膚深度不同的特性，通過(guò)改變泵浦光功率從0 mW～200 mW，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲超材料諧振峰的調(diào)節(jié)。2006年，PADILLA W J等人［29］在高阻砷化鎵襯底材料上加工了開(kāi)口諧振環(huán)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)利用光激發(fā)半導(dǎo)體基底中的載流子，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲超材料的電響應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。2007年，F(xiàn)EKETE L等人［30］提出了基于一維光子晶體的太赫茲調(diào)制器，通過(guò)激光作用GaAs層引起光子帶隙的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波透射調(diào)制，其調(diào)制深度達(dá)到了50%。2008年，CHEN H T等人［31］將金屬微帶結(jié)構(gòu)刻在半導(dǎo)體硅基片上，利用光調(diào)控改變電導(dǎo)率的大小來(lái)改變電容器的有效尺寸，在共振頻率處對(duì)透射率的控制幅度達(dá)到了20%。2011年，SHEN N H等人［32］在亞波長(zhǎng)金屬諧振器中加入硅材料，通過(guò)光調(diào)控使共振頻率在0.76~0.96 THz范圍內(nèi)變化，頻移幅度達(dá)到了26%。2012年，WEIS P等人［33］利用功率為0~500 mW的激光調(diào)諧石墨烯/高阻硅復(fù)合結(jié)構(gòu)，太赫茲調(diào)制深度達(dá)到了99%?，F(xiàn)在報(bào)道的光控超材料大多都是通過(guò)改變控制光的能量，使半導(dǎo)體材料中載流子的濃度改變，引起超材料諧振頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)控。半導(dǎo)體材料載流子的復(fù)合壽命一般為納秒量級(jí)［34］，這限制了基于半導(dǎo)體的超材料光調(diào)控的響應(yīng)速度，且調(diào)控效果對(duì)半導(dǎo)體形狀大小的依賴非常明顯。CS2是一種簡(jiǎn)單的液體材料，具有較大的光學(xué)非線性，經(jīng)常被用作參考樣品來(lái)校準(zhǔn)其他材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì)。相比較半導(dǎo)體材料而言，它的響應(yīng)時(shí)間只有1.68 ps［35］，且調(diào)控效果不依賴其大小形狀，加工方便。由此，本文提出一種基于CS2的對(duì)太赫茲波段超材料光調(diào)控的辦法。

1 結(jié)構(gòu)與仿真

亞波長(zhǎng)金屬塊陣列是典型的超材料結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外的研究小組對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛研究［36-39］。2018年，JING W等人［36］在亞波長(zhǎng)金屬塊陣列結(jié)構(gòu)中引入了液晶材料，制備了具有大調(diào)制深度和低插入損耗的電可調(diào)太赫茲調(diào)制器。本文以他們提出的亞波長(zhǎng)金屬塊陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究利用CS2實(shí)現(xiàn)對(duì)其太赫茲波透射的光調(diào)控。JING W等人［36］研究過(guò)的金屬塊陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬塊單元長(zhǎng)為L(zhǎng)=90 μm，寬為W=40 μm，金屬塊長(zhǎng)為X=55 μm，寬為Y=8 μm，厚度為d=0.1 μm。本文采用SiO2材料為基底。在太赫茲波段，金屬介電常數(shù)的虛部非常大，因此金屬可看作理想的電導(dǎo)體材料。

如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)材料的太赫茲透射特性的光調(diào)控，選用CS2作為調(diào)控介質(zhì)，將亞波長(zhǎng)周期金屬塊陣列結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在CS2中。頻率為1~3.5 THz的太赫茲信號(hào)光經(jīng)透鏡聚焦后入射到金屬塊陣列上，陣列位于太赫茲波焦點(diǎn)處。同時(shí)采用波長(zhǎng)為800 nm的飛秒激光［40］經(jīng)透鏡反射到陣列結(jié)構(gòu)上作為控制光，且控制光光斑覆蓋太赫茲光斑。在0~2 MW/μm2范圍內(nèi)改變控制光的強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)CS2的折射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)其太赫茲波透射的光調(diào)控。

2 仿真結(jié)果與討論

CS2是一種典型的具有較大非線性折射率的材料，其折射率可以表示為［41］： 其中，n0為線性折射率，取n0=1.627 6；γ為非線性折射率系數(shù)，取γ=2.1×10-7 μm2/W［42-43］；I為光的強(qiáng)度。圖3為CS2折射率與光強(qiáng)的關(guān)系。

由圖3可以看出，隨著光強(qiáng)度的增大，CS2的折射率線性增加。本文中選取控制光強(qiáng)度分別為0、0.476、0.952、1.428、1.904（MW/μm2），CS2的折射率相應(yīng)增加為1.73、1.83、1.93、2.03。利用FDTD solution軟件進(jìn)行仿真計(jì)算了不同控制光強(qiáng)度下太赫茲信號(hào)的透射光譜。依照文獻(xiàn)［36］，設(shè)置金屬塊陣列結(jié)構(gòu)基底折射率為n1=1，覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率設(shè)置為n2=1.5。仿真得到的透射譜如圖4中的曲線1所示。由圖4看出，透射譜有兩個(gè)波谷一個(gè)波峰。其中，波谷1在2.3 THz處，波谷2在3.2 THz處，波峰在3.1 THz處，此結(jié)果與文獻(xiàn)［36］的結(jié)果完全一致。

在本文提出的方案中，基底為SiO2，控制介質(zhì)為CS2，改變控制光功率分別為0、0.476、0.952、1.428、1.904 （MW/μm2）。不同控制光功率下信號(hào)光的透射頻譜如圖4所示。當(dāng)控制光的功率為0時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線2所示，波谷1移動(dòng)至1.88 THz處，波谷2移動(dòng)至2.90 THz處，波峰移動(dòng)至2.85 THz處。相比于文獻(xiàn)［36］給出的透射譜，波谷和波峰都發(fā)生了紅移現(xiàn)象，這種改變是由于基底與覆蓋金屬塊介質(zhì)折射率變化引起的，本文對(duì)這種變化不予考慮。當(dāng)控制光功率密度增大為0.476 MW/μm2時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線3所示，波谷1出現(xiàn)在1.82 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.85 THz處，波峰出現(xiàn)在2.80 THz處。當(dāng)控制光的功率增加至0.952 MW/μm2時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線4所示，波谷1出現(xiàn)在1.76 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.80 THz處，波峰出現(xiàn)在2.74 THz處。當(dāng)控制光的功率增加至1.428 MW/μm2時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線5所示，波谷1出現(xiàn)在1.70 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.76 THz處，波峰出現(xiàn)在2.69 THz處。當(dāng)控制光的功率增加至1.904 MW/μm2時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線6所示，波谷1出現(xiàn)在1.65 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.72 THz處，波峰出現(xiàn)在2.64 THz處?？梢钥闯?，加上控制光后，波谷1、波谷2和波峰都發(fā)生了紅移，并且隨著控制光功率的增加，紅移增加，具體的改變情況如圖5所示。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，波谷1、波谷2和波峰的頻率隨控制光功率增大發(fā)生紅移，兩者呈線性關(guān)系。定義單位光強(qiáng)改變?chǔ)引起的波谷或者波峰的頻率改變?chǔ)為調(diào)控靈敏度K，即： 調(diào)控靈敏度K越大說(shuō)明調(diào)控光對(duì)波谷或者波峰的調(diào)控越顯著。其中波谷1的調(diào)控靈敏度為0.10 THz/（MW/μm2），波谷2的調(diào)控靈敏度為0.12 THz/（MW/μm2），波峰的調(diào)控靈敏度為0.12 THz/（MW/μm2）。該仿真結(jié)果表明，波谷波峰的頻率受到基于CS2的光調(diào)控。在文獻(xiàn)［36］的透射譜中，2.3 THz波谷1處出現(xiàn)的共振是對(duì)稱的天線共振［44］，電場(chǎng)強(qiáng)烈局域化分布，品質(zhì)因數(shù)Q=2.7，簡(jiǎn)稱為低Q共振。3.2 THz波谷2處出現(xiàn)的共振是不對(duì)稱的Fano共振，對(duì)應(yīng)于表面波模式，由電偶極子相互作用產(chǎn)生，品質(zhì)因數(shù)Q=53，簡(jiǎn)稱為高Q共振。低Q共振和高Q共振的共振波長(zhǎng)都與金屬塊結(jié)構(gòu)的周期大小L、基底的折射率n1、覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率n2有關(guān)，可以用式（3）對(duì)這兩處共振發(fā)生的位置進(jìn)行描述。 其中，neff為結(jié)構(gòu)有效折射率，它取決于n1和n2的大小；L為結(jié)構(gòu)的周期，和原文獻(xiàn)相同，采用L=90 μm；λ為材料的共振波長(zhǎng)。由式（3）可以得知在周期長(zhǎng)度確定的情況下，超材料的共振波長(zhǎng)將主要由周圍介質(zhì)的有效折射率來(lái)確定。對(duì)于低Q共振而言，這里的neff更接近于覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率n2。隨著光功率逐漸增大，CS2的折射率隨之增大，引起有效折射率neff增大，因此天線共振的位置紅移。對(duì)于高Q共振而言，由于基底的更換以及覆蓋介質(zhì)n2的改變，這里的有效折射率neff將不滿足于原文獻(xiàn)中所描述的更加靠近基底折射率n1的關(guān)系。但可以確定的是，隨著光功率增大使得CS2的折射率增大的同時(shí)，neff也相應(yīng)增大，從而引起Fano共振的位置紅移。

3 結(jié)論

本文研究了利用CS2的光克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長(zhǎng)周期金屬塊陣列結(jié)構(gòu)太赫茲透射特性的調(diào)控。考慮到覆蓋的CS2層厚度極薄，引起出射光的插入損耗、相位的變化很小，可以忽略不計(jì)，因此在本文中只探究CS2對(duì)透射譜諧振點(diǎn)位置的調(diào)控。研究結(jié)果表明，波谷1的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.10 THz/（MW/μm2），波谷2的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.12 THz/（MW/μm2），波峰的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.12 THz/（MW/μm2）。

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