基于体狄拉克半金属波导结构的梯形-短棒谐振器三功能集成太赫兹器件研究

本研究针对传统金属-绝缘体-金属(MIM)波导存在的材料损耗大、调谐性差等问题，创新性地采用体狄拉克半金属(BDS)构建BDS-绝缘体-BDS波导平台，首次实现Fano共振(FR)、带阻滤波和带通滤波的三功能集成。通过有限时域差分(FDTD)仿真证实，该结构具有2.628 THz/RIU的超高折射率灵敏度，品质因数(Q)达154.88，为太赫兹慢光系统、高灵敏度传感和可重构光子器件提供了新型集成化解决方案。

　　

在光子学领域，太赫兹波段的器件集成一直面临"功能单一化"与"性能瓶颈"的双重挑战。传统金属-绝缘体-金属(MIM)波导虽能实现表面等离子体激元(SPP)的亚波长约束，却受限于材料损耗大、介电函数调控困难等固有缺陷。更棘手的是，现有器件往往只能实现单一功能——或是Fano共振传感，或是滤波功能，难以满足现代光子集成电路对多功能集成的迫切需求。这就像要求瑞士军刀只能用来开瓶盖，而无法同时具备剪刀和螺丝刀的功能一样制约着技术进步。

武汉工程大学光学信息与模式识别湖北省重点实验室的研究团队另辟蹊径，将目光投向具有"三维石墨烯"之称的体狄拉克半金属(Bulk Dirac Semimetals, BDS)。这种材料不仅具备石墨烯的狄拉克锥能带结构和栅压可调费米能级特性，更拥有三维晶体结构带来的独特优势：其体等离子体极化子可实现λ/50的超强光场约束，300K下载流子迁移率超过70,000 cm²/V·s，且通过分子束外延(MBE)生长具有90%以上的均匀性。研究人员创新性地构建了BDS-绝缘体-BDS波导结构，通过梯形谐振腔与短棒谐振器的协同设计，在《Micro and Nanostructures》发表的研究中首次实现了Fano共振、带阻滤波和带通滤波的三功能集成。

研究采用有限时域差分法(FDTD)进行系统仿真，通过精确调控几何参数（梯形腔上底W_t=0.6μm、下底W_b=1.2μm）、材料参数（费米能级E_F=70meV）等变量，揭示了多物理场耦合作用下的光学响应机制。

设计原理与结构特性
波导结构采用宽度为W_wg=0.5μm的BDS通道，集成梯形腔与短棒谐振器（尺寸分别为H_stub=1.5μm、W_stub=0.3μm）。电磁仿真显示，该设计通过破坏对称性激发双重Fano共振，在0.857THz和3.082THz处分别形成尖锐的共振谷与峰。

三重功能实现机制
带阻滤波功能表现为在1.6-2.8THz区间实现20dB以上的深度抑制；带通特性体现在0.8-1.2THz波段具有平坦的90%透射率；Fano共振则呈现典型的不对称线型，其品质因数(Q)高达154.88，远超金基超表面的60上限。

动态调谐性能
通过调节费米能级（50-90meV），可实现共振峰位1.32THz的连续偏移；改变弛豫时间（0.5-1.5ps）可使带阻带宽从0.48THz扩展至1.12THz。这种"电控为主、几何为辅"的调谐策略，突破了传统器件不可重构的局限。

传感性能突破
在折射率传感方面，系统最高灵敏度达2.628THz/RIU，优值因子(FOM)为87.6，比石墨烯-金混合系统提升46%。这种性能源于BDS的三维等离子体约束效应，使倏逝场与环境介质的相互作用强度提升3.2倍。

这项研究的意义不仅在于创造了首个三功能集成的太赫兹等离子体器件，更开辟了狄拉克材料在光子集成领域的新应用范式。其0.02mm²的紧凑尺寸与CMOS兼容的制备工艺，为开发片上可重构光子芯片提供了关键技术支撑。正如研究者Xueyun Tang和chen fang在结论部分强调的，该平台兼具"多参数调控灵活性"与"超高品质因数"的双重优势，未来在生物分子检测、太赫兹通信和量子光电集成等方面具有重要应用前景。