搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

龙洁 李九生

引用本文:
Citation:

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

龙洁, 李九生

Terahertz phase shifter based on phase change material-metasurface composite structure

Long Jie, Li Jiu-Sheng
PDF
HTML
导出引用
  • 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.
    With its rapid development, the terahertz technology is widely used in radar, imaging, remote sensing and data communication. As one of terahertz wave devices, the terahertz phase shifter has become a research hotspot. The existing phase shifters have the disadvantages of large volume, high power consumption and small phase shifting. In the present work, a tunable terahertz phase shifter with liquid crystal and vanadium dioxide is proposed. It is composed of an upper vanadium dioxide embedded metal layer, a liquid crystal, a lower vanadium dioxide embedded metal layer, and a silicon dioxide substrate in sequence from top to bottom. The liquid crystal is sandwiched between the upper and lower vanadium dioxide embedded metal layer. The phase of the device can be controlled by both the phase transition characteristics of vanadium dioxide and the birefringence of liquid crystal. By changing the external applied temperature, the conductivity of vanadium dioxide is changed, and the phase of the device shifts accordingly. Likewise the refractive index of the liquid crystal changes under different externally applied voltages. Finally, the phase of the proposed device can be effectively controlled in a terahertz range by both externally applied temperature and voltage. The phase shift characteristics of the device are analyzed by using software CST studio. The results verify that the terahertz phase shifter can achieve a maximum phase shift of 355.37° at f = 0.736 THz and a phase shift is larger than 350° in a range of 0.731–0.752 THz (bandwidth 22 GHz). Therefore, compared with the traditional phase shifter, this kind of phase change material-metasurface composite structure provides a new idea for flexibly manipulating the terahertz beam. And it is expected to be widely used in terahertz imaging, terahertz wireless and other fields.
      通信作者: 李九生, jshli@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61871355, 61831012)
      Corresponding author: Li Jiu-Sheng, jshli@126.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos.61871355, 61831012)
    [1]

    Vieweg N, Fischer B M, Reuter M, Kula P, Dabrowsk R, Celik M, Frenking G, Koch M, Jepsen P U 2012 Opt. Express 20 28249Google Scholar

    [2]

    Kohler R, Tredicucci A, Beltram F, Beere E, Linfield H, Davies G, Ritchie D, Lotti R, Rossi F 2002 Nature 417 156Google Scholar

    [3]

    Jansen C, Wietzke S, Peters O, Scheller M, Vieweg N, Salhi M, Krumbholz N, Jördens C, Hochrein T, Koch M 2010 Appl. Opt. 49 E48Google Scholar

    [4]

    Xiang F, Huang W, Li D, Zhou L, Guo Z, Li J 2020 Opt. Lett. 45 1978Google Scholar

    [5]

    Spada L, Vegni L 2016 Opt. Express 24 5763Google Scholar

    [6]

    李晓楠, 周璐, 赵国忠 2019 物理学报 68 238101Google Scholar

    Li X N, Zhou L, Zhao G Z 2019 Acta Phys. Sin. 68 238101Google Scholar

    [7]

    Li P, Liu J, Sun B, Huang N 2015 IEEE Photonics Technol. Lett. 27 752Google Scholar

    [8]

    Lai W, Yuan H, Fang H 2019 J. Phys. D 53 125109

    [9]

    Xie J, Zhu W, Rukhlenko D, Xiao F, He C, Geng J, Liang X, Jin R, Premaratne M 2018 Opt. Express 26 5052Google Scholar

    [10]

    Wang B, Wang G, Sang T, Wang L 2017 Sci. Rep 7 41373Google Scholar

    [11]

    Chen C, Pan C, Hsieh C, Pan R 2004 14th International Conference on Ultrafast Phenomena, Technical Digest (CD) WB6

    [12]

    Grigoryeva Y, Sultanov A, Kalinikos A 2011 Electron. Lett. 47 35Google Scholar

    [13]

    Han Z, Ohno S, Tokizane Y, Nawata K, Notake T, Takida Y, Minamide H 2017 Opt. Express 25 31186Google Scholar

    [14]

    Chodorow U, Parka J, Strzezysz O, Mazur R, Morawiak P, Pałka N 2017 Mol. Cryst. Liq. Cryst. 657 51Google Scholar

    [15]

    Ibrahim A, Shaman N, Sarabandi K 2018 IEEE Tran. Terahertz Sci. Technol. 8 666Google Scholar

    [16]

    Inoue Y, Kubo H, Shikada T, Moritake H 2019 Macromol. Mater. and Eng. 304 563

    [17]

    Ji Y, Fan F, Xu S, Yu P, Chang J 2019 Nanoscale 11 4933Google Scholar

    [18]

    Han J, Cao X, Gao J, Li J, Yang H, Zhang C, Li T 2019 Opt. Express 27 34141Google Scholar

    [19]

    Zhang J, Yang B, Han X, He X, Zhang J, Huang J, Chen B, Xu Y, Xie L 2020 Appl. Phys. A 126 199Google Scholar

    [20]

    Fan F, Hou Y, Jiang W, Wang H, Chang J 2012 Appl. Optics 51 4589Google Scholar

    [21]

    Wang L, Lin W, Liang X, Wu B, Hu W, Zheng G, Jin B, Qin Q, Lu Q 2012 Opt. Mater. Express 2 1314Google Scholar

  • 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)

    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.

    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

    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.

  • [1]

    Vieweg N, Fischer B M, Reuter M, Kula P, Dabrowsk R, Celik M, Frenking G, Koch M, Jepsen P U 2012 Opt. Express 20 28249Google Scholar

    [2]

    Kohler R, Tredicucci A, Beltram F, Beere E, Linfield H, Davies G, Ritchie D, Lotti R, Rossi F 2002 Nature 417 156Google Scholar

    [3]

    Jansen C, Wietzke S, Peters O, Scheller M, Vieweg N, Salhi M, Krumbholz N, Jördens C, Hochrein T, Koch M 2010 Appl. Opt. 49 E48Google Scholar

    [4]

    Xiang F, Huang W, Li D, Zhou L, Guo Z, Li J 2020 Opt. Lett. 45 1978Google Scholar

    [5]

    Spada L, Vegni L 2016 Opt. Express 24 5763Google Scholar

    [6]

    李晓楠, 周璐, 赵国忠 2019 物理学报 68 238101Google Scholar

    Li X N, Zhou L, Zhao G Z 2019 Acta Phys. Sin. 68 238101Google Scholar

    [7]

    Li P, Liu J, Sun B, Huang N 2015 IEEE Photonics Technol. Lett. 27 752Google Scholar

    [8]

    Lai W, Yuan H, Fang H 2019 J. Phys. D 53 125109

    [9]

    Xie J, Zhu W, Rukhlenko D, Xiao F, He C, Geng J, Liang X, Jin R, Premaratne M 2018 Opt. Express 26 5052Google Scholar

    [10]

    Wang B, Wang G, Sang T, Wang L 2017 Sci. Rep 7 41373Google Scholar

    [11]

    Chen C, Pan C, Hsieh C, Pan R 2004 14th International Conference on Ultrafast Phenomena, Technical Digest (CD) WB6

    [12]

    Grigoryeva Y, Sultanov A, Kalinikos A 2011 Electron. Lett. 47 35Google Scholar

    [13]

    Han Z, Ohno S, Tokizane Y, Nawata K, Notake T, Takida Y, Minamide H 2017 Opt. Express 25 31186Google Scholar

    [14]

    Chodorow U, Parka J, Strzezysz O, Mazur R, Morawiak P, Pałka N 2017 Mol. Cryst. Liq. Cryst. 657 51Google Scholar

    [15]

    Ibrahim A, Shaman N, Sarabandi K 2018 IEEE Tran. Terahertz Sci. Technol. 8 666Google Scholar

    [16]

    Inoue Y, Kubo H, Shikada T, Moritake H 2019 Macromol. Mater. and Eng. 304 563

    [17]

    Ji Y, Fan F, Xu S, Yu P, Chang J 2019 Nanoscale 11 4933Google Scholar

    [18]

    Han J, Cao X, Gao J, Li J, Yang H, Zhang C, Li T 2019 Opt. Express 27 34141Google Scholar

    [19]

    Zhang J, Yang B, Han X, He X, Zhang J, Huang J, Chen B, Xu Y, Xie L 2020 Appl. Phys. A 126 199Google Scholar

    [20]

    Fan F, Hou Y, Jiang W, Wang H, Chang J 2012 Appl. Optics 51 4589Google Scholar

    [21]

    Wang L, Lin W, Liang X, Wu B, Hu W, Zheng G, Jin B, Qin Q, Lu Q 2012 Opt. Mater. Express 2 1314Google Scholar

  • [1] 葛宏义, 李丽, 蒋玉英, 李广明, 王飞, 吕明, 张元, 李智. 基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器. 物理学报, 2022, 71(10): 108701. doi: 10.7498/aps.71.20212303
    [2] 于博, 庄书磊, 王正心, 王曼诗, 郭兰军, 李鑫煜, 郭文瑞 (Wenrui Guo), 苏文明(Wenming Su), 龚诚, 刘伟伟. 基于纳米印刷技术的双螺旋太赫兹可调超表面. 物理学报, 2022, (): . doi: 10.7498/aps.71.20212408
    [3] 李国强, 施宏宇, 刘康, 李博林, 衣建甲, 张安学, 徐卓. 基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生. 物理学报, 2021, 70(18): 188701. doi: 10.7498/aps.70.20210897
    [4] 王鑫, 王俊林. 太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性. 物理学报, 2021, 70(3): 038102. doi: 10.7498/aps.70.20201054
    [5] 王玥, 崔子健, 张晓菊, 张达篪, 张向, 周韬, 王暄. 超材料赋能先进太赫兹生物化学传感检测技术的研究进展. 物理学报, 2021, 70(24): 247802. doi: 10.7498/aps.70.20211752
    [6] 庞慧中, 王鑫, 王俊林, 王宗利, 刘苏雅拉图, 田虎强. 双频带太赫兹超材料吸波体传感器传感特性. 物理学报, 2021, 70(16): 168101. doi: 10.7498/aps.70.20210062
    [7] 冯正, 王大承, 孙松, 谭为. 自旋太赫兹源:性能、调控及其应用. 物理学报, 2020, 69(20): 208705. doi: 10.7498/aps.69.20200757
    [8] 严巍, 王纪永, 曲俞睿, 李强, 仇旻. 基于相变材料超表面的光学调控. 物理学报, 2020, 69(15): 154202. doi: 10.7498/aps.69.20200453
    [9] 周璐, 赵国忠, 李晓楠. 基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生. 物理学报, 2019, 68(10): 108701. doi: 10.7498/aps.68.20182147
    [10] 李晓楠, 周璐, 赵国忠. 基于反射超表面产生太赫兹涡旋波束. 物理学报, 2019, 68(23): 238101. doi: 10.7498/aps.68.20191055
    [11] 李小兵, 陆卫兵, 刘震国, 陈昊. 基于可调石墨烯超表面的宽角度动态波束控制. 物理学报, 2018, 67(18): 184101. doi: 10.7498/aps.67.20180592
    [12] 闫昕, 梁兰菊, 张璋, 杨茂生, 韦德泉, 王猛, 李院平, 吕依颖, 张兴坊, 丁欣, 姚建铨. 基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控. 物理学报, 2018, 67(11): 118102. doi: 10.7498/aps.67.20180125
    [13] 张学进, 陆延青, 陈延峰, 朱永元, 祝世宁. 太赫兹表面极化激元. 物理学报, 2017, 66(14): 148705. doi: 10.7498/aps.66.148705
    [14] 张银, 冯一军, 姜田, 曹杰, 赵俊明, 朱博. 基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面. 物理学报, 2017, 66(20): 204101. doi: 10.7498/aps.66.204101
    [15] 杨磊, 范飞, 陈猛, 张选洲, 常胜江. 多功能太赫兹超表面偏振控制器. 物理学报, 2016, 65(8): 080702. doi: 10.7498/aps.65.080702
    [16] 邱天硕, 王甲富, 李勇峰, 王军, 闫明宝, 屈绍波. 基于超表面的无磁性材料环行器. 物理学报, 2016, 65(17): 174101. doi: 10.7498/aps.65.174101
    [17] 闫昕, 梁兰菊, 张雅婷, 丁欣, 姚建铨. 基于编码超表面的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的研究. 物理学报, 2015, 64(15): 158101. doi: 10.7498/aps.64.158101
    [18] 王长, 曹俊诚. 太赫兹场和倾斜磁场对超晶格电子动力学特性调控规律研究. 物理学报, 2015, 64(9): 090502. doi: 10.7498/aps.64.090502
    [19] 张玉萍, 李彤彤, 吕欢欢, 黄晓燕, 张会云. 工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究. 物理学报, 2015, 64(11): 117801. doi: 10.7498/aps.64.117801
    [20] 胡海峰, 蔡利康, 白文理, 张晶, 王立娜, 宋国峰. 基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究. 物理学报, 2011, 60(1): 014220. doi: 10.7498/aps.60.014220
计量
  • 文章访问数:  2046
  • PDF下载量:  104
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-08
  • 修回日期:  2020-12-02
  • 上网日期:  2021-03-24
  • 刊出日期:  2021-04-05

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

  • 中国计量大学 太赫兹研究所, 杭州 310018
  • 通信作者: 李九生, jshli@126.com
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61871355, 61831012)

摘要: 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.

English Abstract

    • 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.

    • 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 × 107 S/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, 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.

      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)

      Figure 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)

    • 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]:

      $\begin{split} & {\varepsilon _{\rm{m}}}\left( \omega \right) = {\varepsilon _\infty } - \frac{{\omega _{\rm{p}}^{\rm{2}}}}{{\left( {\omega + {{\rm{i}} / {\rm{\pi }}}} \right)\omega }}{\rm{i}}, ~~\omega _{\rm{p}}^{\rm{2}} = \frac{{N{e^2}}}{{{m^*}{\varepsilon _0}}}, \end{split} $

      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 × 1021 cm–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 × 105 S/m. 本文所采用的液晶仿真参数分别为no = 1.52和ne = 1.78 [21].

    • 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 × 105 S/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)(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.

      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

      Figure 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.

    • 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 × 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)(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.

      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

      Figure 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.

    • 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 × 105 S/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)(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.

      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

      Figure 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 × 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)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.

      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

      Figure 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.

      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 × 105 S/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  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

      Figure 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

      图  7  随二氧化钒电导率变化相移曲线

      Figure 7.  Phase shift curve with the change of vanadium dioxide conductivity

    • 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)(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)(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.

      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

      Figure 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

      Figure 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

      Figure 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

      Figure 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.

    • 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.

参考文献 (21)

目录

    /

    返回文章
    返回