基于混合相位变换超表面技术的双频太赫兹调制器

《Optics & Laser Technology》：Dual-band terahertz modulators based on the hybrid phase-change metasurfaces

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摘要

在过去的十年中，超表面技术取得了显著进展，促进了紧凑型和集成式电磁设备的发展。最近，连续介质中的束缚态（Bound State in the Continuum, BIC）因其极高的品质因数和显著的电磁场限制作用而受到了广泛关注。在本研究中，我们通过将铝制矩形孔阵列与相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）结合，设计了一种双频段太赫兹调制器，并通过数值模拟和实验验证了其性能。这种混合超表面能够在太赫兹传输谱中支持BIC模式和单一共振峰。重要的是，通过改变几何参数破坏结构对称性，可以将BIC状态转变为准BIC（Quasi-BIC, QBIC），从而使原始的单峰分裂为两个不同的峰。此外，GST从非晶态到晶态的相变会导致这两个共振峰的传输幅度发生显著变化，这归因于GST导电性的提高。实验结果表明，在0.5 THz和0.79 THz频率下，调制效率分别达到了90.6%和91.6%。这种混合相变超表面在太赫兹调制器、滤波器及相关设备中具有巨大的应用潜力。

章节片段

1. 引言

在过去的十年中，超表面技术在平面和紧凑型电磁设备的发展中取得了重要进展[1],[2]。它们利用亚波长金属或介电结构来控制电磁波的幅度、相位和偏振。通过精心排列这些结构，实现了多种电磁设备，包括金属透镜[3]、偏振器件[4][5]、全息图[6][7]、涡旋结构[8]以及光谱仪[9]等。

2.1 超表面设计

图1展示了一种基于混合相变超表面的双频段太赫兹调制器的示意图。该超表面由蚀刻在铝膜上的周期性矩形孔阵列组成，整个铝膜表面都涂覆有GST层，覆盖了孔的内部和周围的铝表面。选择矩形孔是因为它们能够支持局部共振，从而在传输谱中产生共振峰。

结论

总之，本研究展示了通过将铝制矩形孔阵列与相变材料GST结合来实现太赫兹波的热调制。这种对称的混合超表面在其传输谱中表现出一个共振峰，这是由于ED模式和TD模式的共同作用。通过改变矩形孔的长度引入不对称性后，会转变为QBIC状态，从而使原始的单峰分裂为两个不同的峰。

CRediT作者贡献声明

Jian-Lan Zhang：撰写——初稿、实验研究、正式分析。 Meng-Shu Liu：软件开发、数据管理。 Chen Wang：实验研究、数据管理。 Dong-Qin Zhang：撰写——审稿与编辑、项目监督、经费申请。 Yi-Bo Ma：数据可视化、软件开发。 Yu Wang：资源调配。 Bin Fang：数据可视化、正式分析。 Gui-Ming Pan：软件开发、正式分析。 Zhong-Wei Jin：软件开发、正式分析。 Zhi Hong：撰写——审稿与编辑、软件开发、实验研究。 Fang-Zhou Shu：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（12304434, 12304433, 12204446, 12004361, 12004362）和浙江省自然科学基金（LY22A040006）的支持，同时还得到了毫米波国家重点实验室（K202429）的资助。

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