引用本文:
曹瑞,陈鹤鸣. 一种偏振不敏感双频太赫兹吸收器的研究[J]. 光通信技术,2021,45(12):40-45.
曹 瑞1,陈鹤鸣2*
(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院,南京 210023;2.南京邮电大学 贝尔英才学院,南京 210023)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了易于后续加工,提出了一种偏振不敏感的太赫兹双频窄带吸收器,其单元结构为金属谐振层-介质层-金属衬底层,面积为25 μm×25 μm,厚度仅为3 μm。通过S参数,分析了器件单元结构的尺寸参数与共振频率、吸收率之间的关系。仿真结果表明:该吸收器在1.508 THz和2.464 THz共振频率处的吸收率均达到98.8%以上,而且对入射电磁波偏振方式无限制,在0°~40°的入射角度范围内仍然保持着良好的吸收性能。
关键词:太赫兹;超材料;多频吸收器;窄带吸收;偏振不敏感
中图分类号:TN929.11 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2021)12-0040-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.12.010
0 引言
太赫兹波是指频率在0.1~10 THz、工作波长在
30 μm~3 mm之间的电磁波。随着太赫兹技术的蓬勃发展,其在生物、医学检测、军事雷达和太赫兹通信等领域内拥有极为广阔的应用前景[1-3]。但是,在电磁波频谱中,太赫兹被认为是最不发达的频率区域之一,被称为太赫兹间隙[4]。电磁超材料的出现为填补这一空白开辟了一条新途径,它是一种由亚波长结构组成的周期性阵列,因其独特的电磁特性备受关注[5]。人们利用超材料构造的太赫兹功能器件越来越多,例如超材料传感器[6]、极化转换器[7]和吸收器[8-10]等。LANDY N I等人[11]首次提出了开口谐振环结构的超材料完美吸收器(PMA),可以对谐振频率的电磁波近乎完全吸收。WANG B X等人[12]提出了一种非对称工字形结构的吸收器,在0.64 THz、1.67 THz、2.15 THz和2.63 THz处吸收效果明显,平均吸收率超过了96 %。MOHANTY A等人[13]设计出一种u形和π形组合结构的吸收器,在1.45 THz、1.80 THz和2.70 THz这3个共振频率处产生极强的吸收,吸收率分别为97.78%、97.92%和96.81%。由于金属谐振层结构的不对称性,通常存在对入射电磁波偏振敏感的问题,导致吸收器对入射的电磁波有所限制。WANG B X等人[14]提出了一种4个方形金属环组合结构的吸收器,在0.777 THz、1.13 THz、1.53 THz和2.06 THz处发现4个强吸收峰,平均吸收率超过97%。通过继续增加方形金属环的个数还可以进一步增加吸收峰的数量,但同时也会增大结构尺寸。JIA W等人[15]设计出由十字形、4个半圆和方形金属环3种谐振结构组合的吸收器,在0.70 THz、1.60 THz、2.32 THz、2.63 THz和3.15 THz处吸收效果极好,相应的吸收率分别为98.4%、99.6%、93.8%、94.2%和97.7%。尽管吸收峰的个数多,但是金属谐振层结构比较复杂,后续工艺制作难度较大。
为了解决吸收器偏振敏感、吸收率较低和顶层谐振结构较为复杂的问题,本文提出一种偏振不敏感的超材料双频太赫兹吸收器。
3 结束语
本文提出了一种"卍"字形和方形金属环组合构成的双频太赫兹吸收器,该吸收器具有2个吸收频带。根据数值模拟分析所得的吸收光谱显示出在1.508 THz和2.464 THz频率处具有高吸收效率,其吸收率均达到了98.8%以上。由于太赫兹吸收器为多层结构的器件,这在制作加工上会造成一定的困难,因此单元结构简单的吸收器显得尤为重要。本文设计的吸收器结构较为简单,器件整体厚度仅3 μm,极大地降低了加工难度。另外,吸收器能在2个吸收峰的共振频率处产生极强的吸收,对电磁波的偏振方式没有限制,在0°~60°较宽范围的入射角度下吸收率仍能保持在75%以上。超材料吸收器不仅能实现对入射电磁波的高效吸收,还克服了对入射角度和入射电磁波的限制。超材料作为新型电磁材料,对未来太赫兹各个功能器件的发展具有深远的影响。