基于单层石墨烯与级联拓扑光子结构的多模式可调谐太赫兹发射器研究

本研究针对太赫兹(THz)通信与成像技术中多模式可调谐发射器的设计难题，通过将单层石墨烯与级联拓扑光子结构(TPS)结合，利用4×4传输矩阵法(TMM)分析光学特性，实现了50%-100%可调谐传输峰及中心频率动态调控。该设计为开发高效、轻量化THz器件提供了新策略，在生物传感、葡萄糖检测及血红蛋白浓度监测等领域具有应用潜力。

　　

太赫兹技术作为6G通信、无损成像和分子指纹识别的核心手段，其发展长期受限于器件笨重、模式单一和调控困难等瓶颈。传统金属基超材料虽能实现特定功能，却存在成本高、吸收损耗大的缺陷；而光子晶体虽具带隙可调优势，但缺乏动态响应能力。如何通过材料创新实现多模式、实时可调的THz发射器，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

来自Vellore理工学院和Vel Tech高等理工学院的研究团队创新性地将单层石墨烯与级联拓扑光子结构(TPS)耦合，设计出具有五通道传输特性的可调谐THz发射器。研究通过4×4传输矩阵法(TMM)证实，该器件在56.719-91.583 μm波长范围内形成多个拓扑界面态(TISs)，通过调节石墨烯费米能级和外加磁场，可实现50%-95%的传输率动态调控，相关成果发表于《Materials Science and Engineering: B》。关键技术包括：采用MgF₂
/TiO₂
构建光子晶体单元，通过TMM模拟光学响应；利用石墨烯狄拉克费米子特性实现电/磁双场调控；引入间隔层优化模式间隔。

Computational Method And proposed Model
研究提出Graphene/Spacer/(BAAB)^N
异质结构，其中B为折射率5.71的TiO₂
，A为折射率1.3的MgF₂
。通过优化N值确定三单元级联TPS可实现五模式传输，间隔层厚度调节可改变模式间距达12.5%。

Results and Discussion
在1.5 THz频段观察到五个窄带传输峰，对应波长80.255 μm处传输率达95%。石墨烯费米能级从0.1 eV升至0.5 eV时，70.0493 μm模式蓝移9.3%；施加5T磁场可使62.16 μm模式分裂为双峰，展现偏振选择性。

Conclusion
该研究首次实现基于单层石墨烯-TPS混合结构的可调多模THz发射器，其轻量化设计克服了传统超材料的体积限制。通过电/磁协同调控，器件在生物传感（如葡萄糖浓度检测）和隐私保护涂层等领域展现出独特优势，为下一代智能THz系统开发奠定基础。作者Aprameyha G.K.和Nilesh Yajat C.特别指出，间隔层参数优化可进一步拓展至中红外波段，未来或可实现与VO₂
相变材料的集成，构建全固态可重构器件。