相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器*

龙洁 李九生

(中国计量大学 太赫兹研究所, 杭州 310018)

利用相变材料嵌入超表面组成复合结构实现太赫兹移相器, 该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过二氧化钒的相变特性和液晶的双折率特性同时作用实现对器件相位调控.随着外加温度变化二氧化钒电导率发生改变, 器件的相位随之产生移动, 同样的对液晶层施加不同的电压导致液晶折射率发生变化, 器件相位也会有影响.经过这两种介质共同作用, 最终实现对太赫兹波相位有效调控.仿真结果验证了该相移器在频率f = 0.736 THz 时, 太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°, 在0.731—0.752 THz (带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.这种基于相变材料与超表面复合结构为灵活调控太赫兹波提供了一种新思路, 将在太赫兹成像、通信等领域有着广泛的应用前景.

1 引 言

近年来, 太赫兹技术在通信、安检、成像、光谱、生命医学、无损检测等领域有着越来越广泛应用[1−3], 各类太赫兹波调控器件也层出不穷[4−10],这些器件主要集中对太赫兹波的频率、幅度和偏振态进行控制.而作为太赫兹波重要参量之一的相位也逐渐成为热门研究课题, 因此开展太赫兹波段的移相器研究就显得意义重大.当前, 国内外对太赫兹移相器研究已有部分报道如: 2004 年, Chen等[11]提出了由石英-液晶材料-石英结构的液晶磁控太赫兹移相器, 在频率为1 THz 时最大相移量为360°.2011 年, Grigoryeva 等[12]提出一种电磁双可调移相器, 构造的六铁氧体-铁电层状结构可以被用作移相器的波导元件.2016 年, Han 等[13]借助超材料设计了一种双层偶极子谐振结构太赫兹波移相器, 实现了90°的相位延迟.同年, Chodorow等[14]提出一种氧化铟锡-光栅复合结构太赫兹移相器, 该移相器由石英-氧化铟锡电极-液晶-氧化铟锡电极-石英依次组成, 在f= 2.5 THz 处实现最大相移量为180°.2018 年, Ibrahim 等[15]利用机械方式驱动可调式完美磁导体, 通过压电致动器与微细加工组装形成一个移相单元, 实现380°相移.2019 年, Inoue 等[16]研究了一种聚合物-液晶复合结构太赫兹移相器, 通过改变聚合物浓度来控制相移量之间的平衡, 可以在频率为0.4 THz 处实现30°相移量.同年, Ji 等[17]利用铁磁液晶材料研制了一种偏振转换太赫兹移相器, 通过调节外加磁场大小来实现相位延迟, 实验结果表明该移相器在f= 1.45 THz 能够实现180°相移.然而上述报道的太赫兹移相器往往需要较大的介质厚度才能实现, 且不易于外部调控.

本文设计了一种相变材料嵌入超表面的复合结构实现太赫兹移相, 该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过改变外加温度使二氧化钒电导率发生改变, 使得太赫兹波传输通过器件的相位也随之产生变化, 最终实现太赫兹波相位有效调控.当频率为0.736 THz 时, 太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°, 在0.731—0.752 THz (带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.该太赫兹移相器具有器件结构尺寸小、相移量大、便于调控等优点.

2 太赫兹移相器结构

本文提出的相变材料嵌入超表面组成复合结构太赫兹移相器三维结构如图1(a)所示, 其结构单元如图1(b)所示, 从上到下依次为二氧化钒嵌入上超表面复合结构(上金属层)、液晶层、二氧化钒嵌入下超表面复合结构(下金属层)、二氧化硅基体.金属铜的电导率可表示为σcopper= 5.8 × 107S/m[18], 金属铜(黄色标注)和二氧化钒(橙色标注)的厚度均为0.2 µm, 二氧化硅基体的相对介电常数为ε= 3.9, 其厚度为40 µm.液晶层厚度为20 µm.二氧化钒嵌入上超表面复合结构(上金属层)如图1(c)所示, 上层二氧化钒构造了二氧化钒双矩形结构, 相应尺寸参数为: 单元周期为P=110 µm,L1= 70 µm,L2= 25 µm,h1= 60 µm,

图1 (a)相变材料(二氧化钒)嵌入超表面组成复合结构太赫兹移相器示意图; (b) 太赫兹移相器单元三维结构;(c)二氧化钒嵌入超表面复合结构(上金属层); (d) 二氧化钒嵌入超表面复合结构(下金属层)Fig.1.(a) Schematic diagram of the proposed terahertz phase shifter based on vanadium dioxide embedded metasurface composite structure; (b) three-dimensional structure diagram of unit cell; (c) vanadium dioxide embedded metasurface composite structure (i.e.top layer); (d) vanadium dioxide embedded metasurface composite structure (i.e.bottom layer).

h2= 15 µm.二氧化钒嵌入下超表面复合结构(下金属层)如图1(d)所示, 矩形缺口金属铜层嵌入U 形结构二氧化钒, 相应尺寸参数为:L3= 70 µm,h3= 40 µm,L4= 30 µm.由于顶层二氧化钒嵌入上超表面复合结构直接暴露空气中, 可以通过激光扩束辐照控温方法对顶层二氧化钒的温度进行调控.对于加工在二氧化硅基体上的下层二氧化钒嵌入表面复合结构可以通过从底部辐照扩束激光对下层二氧化钒的控温.最终整个相变材料嵌入超表面组成复合结构太赫兹移相器的相移量可以通过上下两路扩束激光进行切换控制.本文采用CST Studio Suite 软件进行器件仿真.

3 计算结果与讨论

二氧化钒作为一种相变材料, 外加温度发生改变时其电导率也随之发生变化.当温度低于相变温度68 ℃时, 二氧化钒为高阻态, 相对介电常数为εi= 9; 当温度高于相变温度68 ℃时, 二氧化钒变为高导态, 在太赫兹频段内实现从电介质到金属态的转变[19].其相对介电常数可以用Drude 模型来描述[20]:

式中ωp表示等离子体的角频率,εi=ε∞= 9, 有效质量m* = 2me,me是自由电子质量, 载流子密 度N= 8.7 × 1021cm–3, 载 流 子 迁 移 率µ=2 cm·V–1·s–1, 二氧化钒相变前后的电导率分别为

σ= 200 S/m 和σ= 2 × 105S/m.本文所采用的液晶仿真参数分别为no= 1.52 和ne= 1.78[21].

3.1 初始条件为上层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 10 5 S/m), 下层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 液晶折射率no = 1.52

为了探究二氧化钒电导率对移相器的相移量影响, 设定入射太赫兹波为x偏振态, 设置液晶初始折射率为no= 1.52 (无外加电压), 最后随着二氧化钒介质发生相变, 液晶折射率也在外加电场条件下最终变为ne= 1.78 (有外加电压)[21].首先研究初始条件为上层VO2高导态(即金属态, 电导率σ= 2 × 105S/m), 下层VO2高阻态(即绝缘态, 电导率σ= 200 S/m)随着外部温度改变最终条件为上层VO2高导态, 下层VO2高导态时太赫兹移相器的相移情况.数值计算得到太赫兹移相器的相移和透射曲线分别如图2(a)和(b)所示.由图2(a)可以看出, 所设计的太赫兹移相器在0.732—0.75 THz(带宽为18 GHz)频段范围产生相移量大于350°, 且该频段范围内相移量呈线性变化, 在频率f= 0.741 THz 处实现最大相移量357.2°.从图2(b)可以看出, 在该频段范围内不同电导率下太赫兹波透射率变化趋势较稳定, 太赫兹波透射系数大于0.75.

3.2 初始条件为上层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 下层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 105 S/m), 液晶折射率no = 1.52

本节研究分析初始条件为上层VO2高阻态(电导率σ= 200 S/m), 下层VO2高导态(电导率σ= 2 × 105S/m)随着外部温度改变最终条件为上层VO2高导态, 下层VO2高导态时太赫兹移相器的相移量, 此时液晶折射率变为1.78.数值模拟计算得到太赫兹移相器的相移曲线和透射曲线分别如图3(a)和(b)所示.由图3(a)可以看出, 所设计的太赫兹移相器在0.73—0.734 THz (带宽为4 GHz)频段范围产生相移量大于350°, 而且在频率f= 0.731 THz 处最大相移量为359.3°.太赫兹波穿过移相器的透射系数如图3(b)所示, 在该频段范围内太赫兹波透射系数大于0.75.

3.3 初始条件为上层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 下层VO2 高阻态, 液晶折射率no = 1.52

研究分析初始条件为上层VO2高阻态(电导率σ= 200 S/m), 下层VO2高阻态随着外部温度改变最终条件为上层VO2高导态(电导率σ=2 × 105S/m), 下层VO2高导态时太赫兹移相器的相移情况, 此时液晶折射率变为1.78.数值模拟计算得到太赫兹移相器的相移曲线和透射曲线分别如图4(a)和(b)所示.所设计的移相器在0.73—0.734 THz (带宽为4 GHz) 频段范围产生相移量350°以上, 该频段范围内相移量呈线性变化, 且在f= 0.731 THz 处实现最大相移量359.3°.图4(b)所示移相器的透射系数保持在0.75 以上,该移相器的太赫兹波透射效果良好.

3.4 初始条件为上层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 105 S/m), 下层VO2 高导态,液晶折射率no = 1.52

图2 初始条件为上层VO2 高导态, 下层VO2 高阻态, 随着外部温度改变最终条件为上层VO2 高导态, 下层VO2 高导态时太赫兹移相器的相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线; (b)太赫兹波透射系数Fig.2.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high conductivity state of upper VO2 layer and high resistance state of lower VO2 layer.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of upper VO2 layer and high conductivity state of lower VO2 layer: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

图3 初始条件为上层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 下层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 105 S/m), 随着外部温度改变最终条件为上层VO2 高导态, 下层VO2 高导态时太赫兹移相器的相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线; (b)太赫兹波透射系数Fig.3.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high resistance state of upper VO2 layer and high conductivity state of lower VO2 layer.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

图4 初始条件为上层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 下层VO2 高阻态, 随着外部温度改变最终条件为上层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 105 S/m), 下层VO2 高导态时太赫兹移相器相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线; (b)太赫兹波透射系数Fig.4.Phase shift and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high resistance state of both upper and lower VO2 layers.With the change of external temperature, the final conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

研究初始条件为上层VO2高导态(电导率σ= 2 × 105S/m), 下层VO2高导态随着外部温度改变最终条件为上层VO2高阻态(电导率σ=200 S/m), 下层VO2高阻态时太赫兹移相器的相移情况, 此时液晶折射率变为1.78.数值模拟计算得到太赫兹移相器的相移曲线和透射曲线分别如图5(a)和图5(b)所示.所设计的移相器在0.73—0.752 THz (带宽为22 GHz) 频段范围产生350°以上的相移量, 该频段范围内相移量呈线性变化, 且在f= 0.731 THz 处实现最大相移量352.6°.由图5(b)可以看出, 太赫兹波透过移相器的透射系数大于0.75.相比图2—图4 所示上下两层二氧化钒不同状态下的太赫兹波相移曲线, 可以看出4 种组合状态下所设计移相器的相移量和透射系数均达到预期目标, 但是当上下两层结构的二氧化钒均呈高导态时, 移相频段范围增加至22 GHz.

上下层超表面嵌入的二氧化钒均呈高导态时,移相器上下层超表面结构的电场能量分布如图6所示.由图6(a)可以看出, 电流主要集中在上层金属结构的上下两个边缘处和下层二氧化钒边缘处,而上层二氧化钒和下层金属电流较弱.由图6(b)可以看出, 电场能量在上下金属结构边缘处均有分布, 还有一部分电场能量集中在上层二氧化钒位置, 另一小部分电场能量集中在下层二氧化钒位置.进一步表明, 此时图1 中移相器结构表现为双闭环谐振, 最大移相频率点位置为0.752 THz, 与图5 计算结果相吻合.研究分析了二氧化钒电导率变化时该移相器中的相移曲线, 如图7 所示.当电导率从200 S/m 逐渐变化到2 × 105S/m 时, 移相器的相移范围逐渐变宽, 带宽可以由2 GHz 拓宽至22 GHz, 而相移量只发生轻微改变.

图5 初始条件为上层VO2 高导态(电导率σ = 2 × 105 S/m), 下层VO2 高导态, 随着外部温度改变最终条件为上层VO2 高阻态(电导率σ = 200 S/m), 下层VO2 高阻态时太赫兹移相器相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线; (b)太赫兹波透射系数Fig.5.Phase shift curve and transmission coefficient of terahertz phase shifter.The initial conditions are high conductivity state of both upper and lower VO2 layers.With the change of external temperature, the final conditions are high resistance state of both upper and lower VO2 layers: (a) Phase shift curve; (b) transmission coefficient of terahertz phase shifter.

图6 上下层超表面嵌入二氧化钒均呈高导态时, 移相器结构上层超表面、下层超表面电场能量分布图: (a)上层超表面电场能量分布图; (b)下层超表面电场能量分布图Fig.6.Electric field energy distribution at top layer and bottom layer, when vanadium dioxide in top and bottom metal layers are metallic state: (a) Top layer; (b) bottom layer.

3.5 改变太赫兹波入射角

图7 随二氧化钒电导率变化相移曲线Fig.7.Phase shift curve with the change of vanadium dioxide conductivity.

图8 当入射角为60°时, 原有最大移相频率范围0.72—0.76 THz 内的相移变化Fig.8.Phase shift variation in the original maximum phase shift frequency range of 0.72 THz to 0.76 THz when the incident angle of terahertz wave is 60°.

图9 当太赫兹波入射角θ = 60°时, 太赫兹移相器的最大移相频率点相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线;(b)太赫兹波透射系数Fig.9.Phase shift curve and terahertz wave transmission coefficient of the proposed terahertz phase shifter when the incident angle of terahertz wave is 60°: (a) Phase shift curve; (b) terahertz wave transmission coefficient.

图10 当入射角为80°时, 原有最大移相频率范围0.72—0.76 THz 内相移变化Fig.10.Phase shift variation in the original maximum phase shift frequency range of 0.72 THz to 0.76 THz when the incident angle of terahertz wave is 80°.

图11 当太赫兹波入射角θ = 80°时, 太赫兹移相器的最大移相频率点相移曲线、太赫兹波透射系数: (a)相移曲线; (b)太赫兹波透射系数Fig.11.Phase shift curve and terahertz wave transmission coefficient of the proposed terahertz phase shifter when the incident angle of terahertz wave is 80°: (a) Phase shift curve; (b) terahertz wave transmission coefficient.

为了进一步分析太赫兹波入射角θ改变对该移相器的移相性能影响, 本文研究了太赫兹波入射角为60°和80°时该移相器的相移量.在太赫兹波入射角度为60°时, 该器件只有大约7°的相移量(如图7 所示), 移相器的最大相移量和透射曲线如图8(a)和(b)所示.由图8(a)可以看出, 二氧化钒从高阻态变化至高导态, 所设计的移相器在1.08—1.16 THz (带宽为90 GHz)频段范围内均能产生300°以上相移量, 相移量呈线性变化, 而且在频率f= 1.14 THz 处, 实现最大相移量346.3°.与图5(a)相比较(带宽为22 GHz), 发现移相频段范围有所增加, 但是最大相移量略有下降.图8(b)所示的太赫兹波透射率与图5(b) 相比也有所降低.上述分析表明随着太赫兹波入射角增大, 移相器的最大相移量略有下降, 太赫兹波透射系数也随之减少.当太赫兹波入射角度为80°时, 该移相器只有大约15°的相移量(如图9 所示).移相器的最大相移量和透射曲线如图10(a)和(b)所示.从图10(a)中可以看出, 移相器在1.3—1.6 THz 频段范围内有双相移频段效果, 即出现了两个最大峰值, 第一个峰值在频率1.37 THz 处产生相移量为316.7°,第二个峰值在频率1.42 THz 处实现最大相移量322.3°, 而且1.42—1.59 THz(带宽为160 GHz)频段范围内均有300°以上相移量, 相移量呈线性变化.图10(b)所示太赫兹波透射曲线的变化趋势与之前平稳的透射曲线大有不同, 透射系数相比图5(b)大幅降低, 表明太赫兹波入射角度对透射系数有着抑制作用, 为了获取较好的透射效果, 还需要选取合适的入射角度.图7—图11 所示的计算结果也表明太赫兹波入射角对该移相器移相效果产生很大影响.

4 结 论

本文设计了基于相变材料嵌入超表面组成复合结构太赫兹移相器, 通过改变相变材料的温度能够对入射太赫兹波相移量进行动态调控.仿真结果表明, 太赫兹移相器在0.731—0.752 THz (带宽为22 GHz)范围内均可实现的超过350°相移量.当f= 0.736 THz 时, 最大相移量达到355.37°.改变相变材料的温度, 能够实现对太赫兹相移器控制,最大相移量的频段的范围从0.73—0.734 THz 变化到0.73—0.752 THz.该相移器具有结构简单、尺寸小、相移量大等优点, 将在太赫兹波雷达隐身、遥感、成像、探测和通信等领域具有广阔应用前景.