一种基于光敏半导体的多功能交叉沙漏型超表面

李照华， 杨荣草， 王佳云， 裴娅男， 赵以嘉， 张文梅

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

超表面是一种具有亚波长厚度的人工层状复合材料， 在灵活操纵电磁波方面具有很大的应用潜力. 由于其前所未有的电磁特性， 可广泛应用于隐身技术[1]、 聚焦透镜[2]、 波前操纵[3-4]、 吸收器[5-11]和极化转换器[12-20]等领域.

自从第一个金属-绝缘体-金属经典结构的完美超表面吸收器提出后[5]， 许多基于不同结构和不同材料的超表面吸收器被不断提出[7-11]. 例如： Song等[9]基于二氧化钒(VO2)的相变特性提出了一种太赫兹吸收器， 实现了在窄带吸收和宽带吸收不同工作模式之间切换； Jeong等[10]设计了一种可重构的电磁超表面吸收器， 通过控制碲化锗薄膜的状态来实现谐振频率的可调谐； Xiong等[11]设计了一种可调超表面吸收器， 其吸收特性可分别通过调节钛酸锶的温度和狄拉克半金属的费米能级实现. 另一方面， 一些精心设计的超表面可实现线极化或圆极化转换[12-20]. 然而， 以上提到的大多数超表面只能实现单一功能的吸收或极化转换， 不能满足一些特定的工作场合. 近年来， 为了拓展超表面的应用， 一些新颖的多功能超表面被提出[21-24]. 例如， Lin等[21]通过将石墨烯吸收器与金属极化转换器结合， 展示了一种可切换吸收和极化转换功能的超表面； Dutta等[22]和Wang等[23]通过在单元结构中嵌入PIN二极管分别提出了在吸收和线极化转换模式间切换的多功能超表面； He等[24]通过在谐振器中嵌入温控相变材料VO2提出了一种具有完美吸收和极化转换的可切换双功能等离子体超表面. 然而， 这些超表面仅具有吸收和一种极化转换功能.

本文提出了一种嵌入光敏半导体的多功能超表面， 通过控制不同波长的泵浦光照射， 可以实现在双峰吸收、 宽频和双频极化转换3种功能间自由切换， 为集成吸收和极化转换的多功能器件的设计提供了一种新的方案.

1 结构设计与原理

图 1 所示为本文提出的交叉沙漏型超表面(Cross-Hourglass-Shaped Metasurface， CHSM)的4×4阵列及其单元结构的示意图.

图 1 多功能超表面的原理图

图 1 中， 顶层为宽十字形金、 梯形光敏半导体材料锗(黑色)和硅(灰色)薄膜组成的交叉沙漏型谐振器， 锗和硅的相对介电常数分别为εGe=16.3和εSi=11.7， 其电导率随泵浦光强度的变化而改变； 介质层采用介电常数ε=4.3(1+i×0.025)的FR-4材料； 底层是电导率σgold=4.56×107S/m的连续金膜. 本结构中金、 锗和硅的厚度均为0.2 μm. 其他几何参数为：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.

不同激励条件下锗和硅的状态以及CHSM的工作模式如表 1 所示. 在没有泵浦光照射时， 锗和硅都处于绝缘态. 当采用波长为1 550 nm的泵浦光照射超表面时， 随着泵浦光功率的增加， 锗的载流子被逐渐激发， 电导率增加到5×105S/m时锗处于金属态[8]. 当采用800 nm波长的泵浦光照射超表面时， 锗和硅的载流子均被激发， 电导率逐渐增加到5×105S/m， 锗和硅表现出金属态. 因此， 通过控制泵浦光照射条件CHSM可以实现在不同的工作模式之间切换.

表 1 不同激励条件下锗和硅的状态以及CHSM的工作模式

采用基于有限积分法的CST三维电磁场仿真软件模拟了所提出的CHSM的吸收和极化转换性能. 在模拟过程中， 沿X，Y轴方向设置为 unit cell边界条件， 沿Z轴方向边界条件设置为open (add space)，Y极化太赫兹波沿Z轴负方向入射到超表面. 仿真中采用CST提供的自适应优化网格功能， 将模拟的单元晶胞结构划分为15 269个自适应优化大小不等的四面体网格. 这里只做了仿真研究， 所提出结构在实验上也是可行的， 可以通过利用牺牲层硅衬底制作独立的金属-介质-金属结构的方法来实现. 在硅衬底牺牲层上通过电子束蒸发沉积生长出连续金膜， 在其上使用自旋涂覆法经过热压制成FR-4薄板， 在FR-4板上沉积金膜， 通过电子束光刻对金膜进行图案化， 然后， 依次沉积并由电子束光刻出光敏锗和光敏硅， 最后将整个结构从硅衬底上剥离[20,25].

对于吸收模式， 吸收率可以通过公式A(ω)=1-R(ω)-T(ω)计算得出， 其中R(ω)和T(ω)分别为反射率和透射率.由于底层的连续金膜阻挡了电磁波的传输， 透射率T(ω)=0， 因此， 吸收率公式可简化为

A(ω)=1-R(ω)=1-|ryy|2-|rxy|2.

对于极化转换模式， 入射Y极化太赫兹波的极化转换率

PCR=|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2) ，

式中： |ryy|和|rxy|分别为共极化和交叉极化反射系数的幅度.

2 结果和讨论

2.1 双峰吸收模式

当锗和硅处于绝缘状态时， 位于顶层的宽十字金谐振器主导对电磁波的响应， CHSM工作在双峰吸收模式. 图 2(a) 所示为吸收率A(ω)和反射率R(ω)的曲线， 在2.26 THz和2.76 THz处的吸收率分别达到95.1%和94.4%. 为了研究CHSM在吸收模式下的工作机制， 图 2(b) 绘制了在谐振频率 2.26 THz 和2.76 THz处的顶层谐振器磁场强度分布图.

图 2 (a) 双峰吸收模式的模拟结果， (b) 2.26 THz和

如图 2 所示， 低频吸收峰2.26 THz处的磁场主要分布在宽十字形金谐振器的左右金属臂外侧边缘和拐角处， 而高频吸收峰2.76 THz处的磁场则主要集中在宽十字形金谐振器的左右两侧拐角处， 这两种不同的谐振造成了双峰吸收.

2.2 宽频/双频极化转换模式

当锗处于金属态， 硅处于绝缘态时， CHSM的顶层等效为沿对角线方向对称排列的沙漏型谐振器， 超表面工作在宽频极化转换模式. 模拟结果如图 3(a) 所示， 在1.32 THz～2.15 THz范围内PCR大于90%， 相对带宽达到47.8%. 此外， 模拟了CHSM的分解结构， 将硅从CHSM中移除， 其余部分构成一个沙漏型锗亚结构(HS-Ge)， 其谐振类似于CHSM结构中锗处于金属态硅处于绝缘态的情况.

图 3 仿真结果

图 3(a) 绘制了CHSM在宽频极化转换模式的反射系数幅度|ryy|和|rxy|， 以及CHSM和HS-Ge两种结构的PCR曲线图， 由图可见HS-Ge和CHSM工作在宽频极化转换模式下的PCR基本相同. 仅将锗从CHSM中移除时， 其余部分构成的沙漏型硅亚结构(HS-Si)类似于硅处于金属状态锗处于绝缘状态时的CHSM. 如图 3(b) 所示， HS-Si也可实现宽频极化转换， 但由于谐振器尺寸的不同， HS-Si与HS-Ge发生极化转换的频带不同. 当CHSM结构中锗和硅均处于金属态时， 整个交叉沙漏型谐振器对电磁波产生响应， 此时， CHSM工作在双频极化转换模式， 如图 3(c) 所示， 在1.09 THz～1.23 THz和2.12 THz～2.23 THz 范围内PCR均超过90%.

2.3 极化转换模式物理机制

对于CHSM结构的宽频极化转换模式， 可以通过分解本征模来理解其物理机制. 如图 4 中内插图所示， 入射的Y极化电磁波可以被分解为沿u轴和v轴的两个分量Eiu和Eiv， 图 4 绘制了分别入射u极化和v极化电磁波的共极化反射系数幅度|ruu|和|rvv|.在PCR较高的频带内， |ruu|和 |rvv| 基本相等，ruu和rvv的相位差Δφ接近 -180°， 这表明在1.32 THz～2.15 THz范围内入射的线极化波可以转化为其交叉极化反射波[19].

图 4 CHSM入射u极化和v极化电磁波时的反射系数幅度和相位差， 坐标轴如内插图所示

CHSM与HS-Ge工作在宽频极化转换模式下的转换特性几乎相同， 可以通过不同谐振频率处顶层沙漏型谐振器和底层连续金膜的表面电流分布来解释HS-Ge宽频极化转换的物理机制. 如图 5 所示， 谐振频率1.41 THz和1.71 THz处的表面电流分布相似， 顶层谐振器和底层金膜上的反向平行感应电流沿晶胞的对角线方向分布， 形成电流回路并产生磁偶极子m[14]， 磁偶极子产生的感应磁场与入射电磁波相互作用造成了极化转换. 在谐振频率2.11 THz处， 除了反向平行的感应电流形成回路外， 相邻单元之间的底部金层还存在明显的感应电流， 这说明高频谐振是由磁谐振和晶胞间的耦合共同引起的， 两种不同的谐振叠加产生宽频极化转换.

图 5 HS-Ge顶层谐振器和底部金层的表面电流分布

双频极化转换模式的物理机制可以通过宽频极化转换来阐明. 图 6 所示为HS-Si在 1.58 THz, 1.71 THz 和2.19 THz 3个不同谐振频率处的表面电流分布， 与图 5 所示HS-Ge的宽频极化转换模式类似， HS-Si的宽带极化转换是由磁共振和单元晶胞间耦合共同造成的. 对比图 6 和图 5 可以发现， 图 6 中 1.71 THz 处的磁偶极子与图 5 中 1.71 THz 处的磁偶极子相互垂直， 因此， 2个亚结构在1.71 THz处产生的2个磁偶极子的合成磁场沿X轴方向， 与入射电磁波的磁场方向相同， 从而没有发生电磁场方向偏转， 这可以解释CHSM双频极化转换模式下 1.71 THz 处极化转换的缺失. 结果表明， 所设计的CHSM可以在不同波长泵浦光激励条件下实现宽频和双频极化转换的切换.

图 6 HS-Si顶层谐振器和底部金层的表面电流分布

2.4 结构参数分析

以双峰吸收模式为例讨论了结构参数对吸收性能的影响. 如图 7(a) 所示， 当介质层厚度ts在16 μm～20 μm范围内逐渐增大时， 2个吸收峰出现明显的红移， 低频峰的吸收率逐渐增大， 高频峰的吸收率逐渐减小， 这意味着可以通过优化介质层的厚度来平衡2个峰的吸收率， 从而实现良好的双峰吸收. 当介质层厚度ts=18 μm时， 2个吸收峰的吸收率均大于94%. 如图 7(b) 所示， 当十字形金属的臂长l1从23 μm增加到27 μm时， 吸收谱有轻微的红移.

图 7 不同结构参数对应的吸收率

随着l1的增大， 低频吸收峰减小， 高频吸收峰增大， 当l1=25 μm时， CHSM可以实现高效的双峰吸收. 因此， 通过参数优化可以得到最佳吸收特性.

3 结 论

通过在宽十字形金属谐振器的末端嵌入光敏锗和硅， 提出了一种可在双峰吸收模式、 宽频极化转换模式和双频极化转换模式之间切换的多功能超表面. 当无泵浦光照射时， 超表面工作于双峰吸收模式， 在吸收峰2.26 THz和2.76 THz处的吸收率分别为95.1%和94.4%； 当采用 1 550 nm 泵浦光照射超表面时， 其工作在宽频极化转换模式， 在1.32 THz～2.15 THz频带内PCR超过90%， 相对带宽达到47.8%； 当采用800 nm泵浦光照射超表面时， 其工作在双频极化转换模式， 在 1.09 THz～1.23 THz 和 2.12 THz～2.23 THz两个频带内， PCR均超过90%. 通过分析磁场分布， 和表面电流分布解释了超表面工作在不同模式时的物理机制， 并以吸收模式为例讨论了结构参数对吸收功能的影响. 该超表面具有结构简单、 厚度较薄等优点， 有望应用于未来太赫兹多功能器件的设计.