石墨烯可调控可重构超材料光栅用于自校准太赫兹外差差分干涉术

《Optics & Laser Technology》：Graphene-tunable reconfigurable meta-grating for self-calibrating terahertz heterodyne differential interferometry

　　

摘要

提出了一种工作在2.52 THz的石墨烯集成可重构太赫兹超材料光栅，并通过数值验证用于自校准外差差分干涉测量。该器件通过电学调谐石墨烯的费米能级${\mu }_c$实现状态切换。当${\mu }_c$ = 0.1 eV时，其作为三端口近等效率分束器，透射0级、透射-1级和反射-1级的效率均约为27%；当${\mu }_c$ = 0.8 eV时，其作为高效率利特罗反射器，反射-1级效率约为90%。两种工作状态均表现出横电（TE）和横磁（TM）衍射响应的良好匹配。建立了用于外差差分干涉测量的五指标评估框架，直接将衍射效率分布与系统级性能需求联系起来。提出了一种交替测量-校准方案，其中分束状态实现最优功率分配，而反射状态实现原位背景减除和增益校准。数值鲁棒性分析进一步量化了设计相对于几何误差、轮廓误差以及材料和石墨烯参数扰动的容差范围与失效趋势。所建立的从衍射效率到干涉性能定量映射，为太赫兹功能光栅设计提供了方法学参考。

引言

太赫兹（THz）频段在通信、波前控制和传感等领域展现出广阔的应用前景[1]、[2]、[3]，然而高效率动态功能器件的匮乏一直是制约该频段实际应用的核心瓶颈[4]。凭借其电学可调的太赫兹电导率和超快响应速度[5]、[6]，石墨烯已成为实现可重构太赫兹光子器件的有吸引力材料平台[7]。近年来，石墨烯光子应用进一步拓展至超窄带共振吸收、石墨烯辅助非线性太赫兹频率转换以及高Q值可编程光学吸收[8]、[9]、[10]。现有基于石墨烯的太赫兹器件已实现可调光束转向和电学可调超表面响应[11]、[12]，而近期多功能衍射和超表面平台进一步将太赫兹波前控制拓展到偏振-空间复用、多焦点聚焦以及轨道角动量光束产生[13]、[14]。在支持信息表S1中对近年来代表性可重构和多功能太赫兹超材料器件在操作频率、调谐机制、偏振响应、功能、代表性性能及实验状态方面进行了定量比较。高精度太赫兹传感，尤其是差分干涉测量，对核心光学元件提出了双重要求。此类元件在测量状态下应提供精确的多通道功率分配以最大化信噪比，并在校准状态下快速切换至近全反射以实现原位零点扣除和增益校准。传统方案依赖多个离散器件的机械切换，在体积、对准和响应速度方面引入瓶颈。在单一电学可调器件中集成两种功能可从根本上简化系统架构并提高长时间测量的稳定性。在许多光栅分束器的数值优化中，器件性能通常通过预设通道效率目标、均匀性指标或经验阈值进行评估；然而，这些指标可能无法直接对应特定干涉系统中的噪声、校准误差和功率利用需求。因此，对于本工作所考虑的自校准外差差分干涉测量，仍有必要建立从衍射效率分布到干涉系统性能的直接定量映射，使容差准则具有明确的特定应用物理基础。为解决上述问题，本工作提出并通过数值验证了一种用于自校准太赫兹外差差分干涉测量的石墨烯可调可重构超材料光栅。

本工作的贡献总结如下。（1）提出了一种基于聚乙烯（PE）/石墨烯/HfO₂/Si平台的2.52 THz可重构超材料光栅。通过调节石墨烯的费米能级，实现三通道分束状态与利特罗反射状态的电控切换，同时在横电（TE）和横磁（TM）偏振下保持一致的性能。（2）针对外差差分干涉测量的噪声和校准机制，建立了一个五指标评估框架，并构建了统一的应用驱动合格性指标，定量地将衍射效率分布与系统级性能需求联系起来，从而评估器件容差。（3）采用严格耦合波分析（RCWA）和有限元方法（FEM）对完整器件结构进行定量交叉验证，并进一步开展了涵盖几何、材料、石墨烯及联合不确定性的数值鲁棒性分析，为面向制造的容差评估提供了定量依据。

章节摘要

器件设计与数值模型

图1(a)展示了一种石墨烯集成可重构太赫兹超材料光栅，由硅基底、超薄HfO₂栅介质间隔层、八层石墨烯以及用于光栅脊的PE组成。在后续所有计算中，硅基底被视为半无限介质，对应于当背向相干反射被有效抑制时可实验接近的边界条件；有限厚度硅晶圆背向反射效应为

工作原理与模态分析

Clausnitzer等人[18]、[19]忽略了光栅层间的反射效应，并提出利用模耦合来解释光栅的衍射性能，即简化的模态方法（SMM）。本文首先采用SMM分析孤立PE/空气光栅区域中的传播模，以获得器件工作机理的物理图像。此特征问题仅由光栅周期、占空比、入射条件以及

干涉应用与鲁棒性

作为一种支持三通道近均匀分束和单通道高效率利特罗反射的动态可调可重构超材料光栅，其最具代表性的应用场景之一是外差差分干涉仪。图4展示了基于本工作所提出超材料光栅的自校准外差差分干涉系统。在图4所示的代表性系统布局中，2.52 THz输入光束采用θ_inc = θ_L

讨论与结论

基于前述数值结果，后续实验可采用由导电Si背栅、超薄HfO₂栅介质、多层石墨烯和复制PE光栅组成的器件结构进行验证。具体而言，使用导电硅晶圆作为基底和背栅电极，在其正面沉积超薄栅介质层（通过原子层沉积（ALD）生长、厚度为20 nm的HfO₂）。该

CRediT作者贡献声明

林泽帆：撰写—初稿，可视化，软件，资源，方法学，调查研究，数据整理，概念构思。康国国：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取。

资助

本工作得到国家自然科学基金资助[批准号 U2241226]。

利益冲突声明

作者声明以下可能存在潜在利益冲突的财务利益/个人关系：康国国报告称获得了国家自然科学基金的资金支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

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