关键THz功能器件的研究进展

THz功能器件的种类繁多,包括THz波导、THz耦合器、THz分束器、THz透镜、THz开关、THz调制器、THz滤波器、THz吸收器、THz隔离器、THz起偏器、THz波片等,这些器件可以对THz波的波束形状、波前分布、振幅大小、谱线形状、偏振状态和相位延迟等各种电磁特性进行主动或被动调控,以实现各种功能及其应用。这里主要对几种重要的THz功能器件的研究现状和发展趋势进行概述。

(1)THz透镜

普通THz透镜是由高阻硅或聚合物球面镜制成的,其透过率在90%左右,焦斑尺寸都在毫米量级,这是由THz波的波长和衍射极限决定的。利用普通THz透镜很难将THz波高效地耦合到亚毫米量级的光电系统中,这势必会影响系统的空间分辨率和探测灵敏度等关键性能,因此,如何实现波长甚至亚波长量级THz波的聚焦和高效耦合是一个亟待解决的问题。

利用表面等离子体狭缝或孔阵列等衍射光学元件构成的人工微结构平板透镜,已经可以实现波长量级THz波的聚焦。利用微结构THz光纤进行近场亚波长量级THz波的聚焦和成像在近期也有报道。然而由于反射和欧姆损耗,现有表面等离子体透镜的透过率只有20%,且其焦距随入射波频率变化而变化,即具有很大的色差,因此,如何制备高透过率、宽带、消色差的THz人工微结构透镜是一个值得深入探索的课题。

(2)THz偏振控制器

常用的偏振控制器包括偏振片和波片,前者用于实现光束的线偏振起振和检偏滤波,后者用于光束的偏振转换和相位延迟。在THz波段,金属可以被视为完美的电导体,金属线栅可以完美实现THz偏振片的功能。其带宽可以覆盖0.1~10 THz,偏振度大于99%,偏振方向的透过率可以达到95%以上,这是少有的已成熟且广泛应用的THz功能器件。目前,THz偏振控制器的研究主要集中在波片类器件,主要考虑的性能参数包括偏振转化效率、带宽、插入损耗、成本等。

传统的波片一般由具有双折射效应的天然晶体加工而成,通过调节晶体的厚度,使得寻常光和非寻常光产生特定的相位差,从而实现偏振转换的功能。考虑到器件的可集成和小型化需求,要求材料的双折射系数尽量大,以减小器件的厚度。然而在THz波段,传统天然材料的双折射系数往往不够大,如石英晶体的双折射系数为0.05,常用的液晶材料如E7的双折射系数为0.12,蓝宝石晶体的双折射系数约为0.35,但其吸收系数很大,在10 cm-1量级以上。此外,石英晶体等波片只能实现单频工作,液晶材料虽然具备可调谐特性,但其吸收损耗却较大。要拓展传统天然材料制备而成的波片的带宽并非不可能,但其结构设计非常复杂,如需要采用多层膜、菲涅耳菱形棱镜等复杂结构。

近年来,人工电磁微结构的研究引起了人们广泛关注,诸如超材料、超表面、亚波长介质光栅等结构广泛应用于THz偏振控制器的设计中。2013年,Chen等提出了一种由三层金属栅构成的超表面结构,其利用法布里-珀罗谐振效应增强了金属栅的偏振旋转效应,实现了正交偏振转换功能[4]。2015年,Liu等提出了一种基于巴比涅超材料的THz偏振控制器,其通过打破结构的空间旋转对称性,实现了四分之一波片的功能[5]。同年,Wang等提出了一种内嵌VO2的十字形超材料结构,其通过温控使VO2产生相变,进而实现可调谐THz四分之一波片功能[6],如图1.3(a)所示。但是这种巴比涅超材料普遍存在插入损耗大的问题,其表征透过率的斯托克斯(Stokes)参量S 0不到0.4,主要原因在于其表面金属覆盖面积过大。不依靠金属材料,通过多层介质堆栈人工超表面也可以实现THz波片的功能。2015年,Zhu等提出了基于双曲超表面的THz波片,其利用不同介质多层堆栈的慢光效应增加了THz波与结构相互作用的有效光程,在2~4.8 THz内的双折射系数达到0.8~2[7],如图1.3(b)所示。但是这种多层堆栈结构过于复杂,加工非常困难。总体而言,THz波片正向着小型化、宽带、低损耗、易加工的方向发展。

图1.3　

(a)基于温控内嵌VO2的十字形超材料的THz波片[6];(b)基于双曲超表面的THz波片[7]

(3)THz滤波器

滤波器是对特定波段通过、其他波段吸收或反射的器件,是THz通信和雷达系统中的重要器件。基于人工微结构的各类THz滤波器已被广泛报道,例如基于金属孔阵列的带通滤波器、超材料带阻滤波器、光子晶体波导宽带滤波器和微腔窄带滤波器等。人们更感兴趣的是如何实现滤波器工作频率的带宽可调谐,因为可调谐滤波器的实现不仅扩展了滤波器的工作范围,还可以直接实现THz开关和强度调制的功能。

(4)THz调制器

THz调制器是THz宽带无线通信系统中的核心器件,1 THz载波所能携带的信息量至少为10 Gbps,然而现有THz调制器(这里指工作在大于0.3 THz的频段,而非毫米波段)的调制速率和调制深度还远未达到这一指标,这是目前制约THz宽带无线通信应用发展的主要器件瓶颈之一。因此,高性能THz调制器多年来一直是THz功能器件研究关注的焦点,基于不同材料和结构的THz调制器的研究被广泛报道。一般用电控或者光控方式进行调制,调制方式主要是调幅和调相,即对THz波的振幅(或强度)和相位进行两个状态下的高速转换。

2006年,Chen等通过在超材料谐振环开口处构造肖特基二极管实现了对超材料谐振强度的调制,器件的调制电压为0~16 V,工作带宽为300 GHz,最大调制深度为50%,调制频率约为2 MHz[8]。2009年,他们又提出了一种类似的相位调制器,其工作带宽达800 GHz,但平均调制深度只有约20%。此外,他们还提出了调制深度达50%、工作带宽达200 GHz的光控超材料THz调制器,其响应时间在微秒量级[9],如图1.4所示。同年,Kadlec等提出利用Sr TiO3/DyScO3材料的超晶格结构来实现THz波的调制,通过外电场实现了工作带宽为500 GHz的强度调制,其调制深度为33%,但外加电场高达67 k V/cm[10]。2010年,Manceau等利用以GaAs为基底的超材料结构实现了光控相位调制,其相位调制为0.4 rad,工作带宽为250 GHz[11]。2011年,Choi等使用VO2薄膜作为基底制成狭缝阵列THz天线,利用光泵浦下VO2的金属-绝缘体相变性质实现了对THz波皮秒量级的开关控制[12]。2011年,Shrekenhamer等将高速晶体管与二维电子气的半导体结构相结合,并置于超材料的开口环下方,将器件的调制频率提高到10 MHz,调制深度为30%[13]。2012年以来,大量文献报道了基于石墨烯的表面等离子体或超材料的THz调制器,如Rodriguez等提出了基于单层石墨烯带间跃迁机理的THz调制器,需要使用50 V电压才能实现约为10%的调制深度,其工作带宽仅为50 GHz[14];如图1.5所示,Lee等将石墨烯与平面超材料结构相结合,实现了超过1 THz工作带宽的调制,但需要600 V电压才能实现10%的调制深度[15];Lu等利用周期性石墨烯光栅结构的超材料实现了THz波宽带调制,虽然器件所需的偏置电压只有几伏,但其调制深度仅有5%[16]。

图1.4　光控超材料THz调制器[9]

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图1.5　电控石墨烯THz调制器[15]

现有的THz调制器的结构集中于超材料、亚波长孔阵列等平面结构,由于它们在传播方向上没有周期性结构,因此很难获得高品质因数的谐振,也就很难实现较大的调制深度和器件灵敏度,从而存在工作带宽窄、调制速率低和插入损耗大等问题,且无法满足构建THz宽带通信系统的实际需求。因此,探索新的THz波调制机理、设计新的器件结构是目前高性能THz调制器研究中的关键科学问题。

(5)THz波前调控器

波前调控是指在空域上调控电磁波的等相位面,以实现会聚、发散、偏转、定向发射等功能。目前,在THz波段研究比较多的是光束聚焦和定向发射。光束聚焦主要应用在场增强、成像、器件耦合等方面,主要的器件为THz透镜。另外,常用的手段是利用亚波长的衍射光栅和衍射孔径阵列。图1.6(a)为Yasuaki等研制的可编程的衍射光栅式THz透镜,其可以实现0.15~0.9 THz的波前调控[17]。由空间相位调控方法得到的焦斑尺寸都在毫米量级,这是由THz波的波长和衍射极限决定的,因而无法获得足够小的局域场和足够大的场强度。利用波导结构的表面等离子体透镜可以实现更小的局域场增强,这源于表面等离子体波的高局域特性。然而表面等离子体波的高效耦合本身就是一个难题,往往会带来很大的能量损耗,而且这类透镜焦距随入射波频率变化很大,即具有很大的色差。因此,实现高透过率、小光斑尺寸、宽带的THz透镜是该类器件需要突破的问题。

图1.6　

(a)可编程的衍射光栅式THz透镜[17];(b)基于石墨烯的THz定向发射器[19]

定向发射即调控THz波的波前,使其朝向某一个特定方向发射,在THz雷达、通信、成像等领域具有广泛的应用前景。2011年,Yu等提出了一种“V”字形超材料结构,通过改变“V”字的夹角和臂长可以调控该单元引起的相位延迟,通过周期渐变排列可以在空间上实现相位的连续变化,从而引起入射电磁波的定向偏转[18]。这种超材料制作简单、灵活性强,因此获得了广泛的关注和研究。其设计思路是首先设计可微调的单元结构,选择4种或8种相位差依次差π/2 rad或π/4 rad的单元结构,并保证这些单元结构的透过率大致相等,就可以实现相位在0~2πrad内的连续变化;再将这些单元结构依次排列,并按周期循环,就可以实现入射电磁波的定向发射。其角度的偏转量取决于单元结构的相位差和尺寸大小。2015年,Yatooshi等在理论上提出了一种基于石墨烯的THz定向发射器[19],如图1.6(b)所示。在相邻的石墨烯栅上施加渐变的电压,引起石墨烯费米能级的梯度变化,从而在空间上实现透射波的相位变化,其本质与利用结构渐变来实现相位变化的器件是一致的。值得注意的是,这类器件都是针对某个特定频率的电磁波来设计的,因此只能应用在连续波THz系统中。此外,还有一类THz定向发射器是利用表面等离子体波的耦合来实现波矢匹配的,本书将在第9章进行详细的介绍。

(6)THz放大器

放大器独立于种子光源之外,是完成辐射源功率放大的器件。目前,在THz波段常见的有基于光学参量放大技术的、基于行波管和返波管的和基于量子级联系统的放大器。光学参量放大技术是利用晶体的差频效应来实现对信号光的放大,在THz波段常用的非线性晶体是MgO∶LiNbO3。2014年,Tripathi等报道了该课题组使用MgO∶LiNbO3晶体实现的THz放大器,其在2.01 THz处将脉冲能量为0.1 pJ的入射THz波放大到脉冲能量为0.4 nJ,放大倍率超过30 dB[20]。然而,由于晶体存在可饱和吸收效应,该THz放大器无法对脉冲能量大于1 nJ的THz波进行有效放大[21]。行波管和返波管在微波波段的技术已经非常成熟,在低频THz波产生方面也有广泛应用。2015年,Feng等提出了一种基于行波管结构的THz放大器,其在0.17~0.19 THz内获得了最高39 dB的放大输出,然而这种基于微波器件的倍频技术难以实现对更高频率THz波的有效放大。基于量子级联系统的放大器也是一种比较常见的THz放大器,其基本原理和量子级联激光器类似,其工作频率一般位于2 THz以上。2014年,Ritchie等使用聚对二甲苯作为量子级联放大器的端面反射镜材料,其降低了系统的反射损耗,在2.9 THz处获得了30 dB的增益放大[22]。2015年,Darmo等提出了一种宽带的量子级联放大器,其在2.14~2.68 THz内实现了THz波的可调谐放大,增益倍率超过21 dB[23]。总之,THz放大器的发展状况与THz光源较为一致,在低频波段有较为成熟的真空电子学技术,在高频波段则依赖于固态电子学技术,但在0.3~2 THz频段仍然缺乏有效的放大器件。

(7)THz隔离器

THz应用系统中存在大量元件的反射回波和散射,这就要求将高性能的单向隔离传输器件(如隔离器、环形器等)引入THz系统中来消除这些噪声。由于在THz波段具有旋磁或旋电响应的磁光材料十分有限,长期以来在THz波段缺乏低损耗、宽带非互易器件,从而限制了现有THz应用系统的性能。已有的非互易器件按工作原理可以分为以下三类。①基于传统的法拉第旋光效应,通过磁光材料本身的法拉第效应实现THz波偏振态的旋转,再经过检偏器后实现隔离器功能。2013年,Shalaby等利用Sr Fe12O19新型永磁材料首次实现了THz隔离器的功能[24],如图1.7所示。这一方案具有结构简单、便于耦合等优点,缺点是多数磁光材料对THz波的吸收较强,导致器件的隔离度较低,插入损耗也很大。②通过在波导结构中引入磁光材料,使得波导正负传播方向上表现出非对称的色散关系,从而实现单向传输。2005年,麻省理工学院的Wang等首次提出磁光子晶体环形器[25]。2010年,S'migaj发展了这一理论,使隔离度提高到40 dB[26]。2009年,斯坦福大学的Fan等提出了非互易相移型器件[27]。他们将磁光材料引入波导干涉仪的一臂中,正反向传输时器件产生正负相反的相位差,引起非互易的干涉效应,在某些频率点上实现了高隔离度单向传输,但器件工作带宽小于100 MHz。2012年,Hu等提出了金属-空气-InSb波导结构的THz隔离器,当磁场强度小于1 T时,InSb的回旋共振频率位于THz频段,因此器件对外加磁场的强度要求较低[28]。虽然该器件结构简单,但隔离度较小,只有30 dB左右,且存在很大的耦合损耗。③基于非线性效应的光学二极管,它像电子二极管一样具有单向导通功能,故而受到广泛关注,但受限于THz非线性材料和THz辐射源的强度,THz波段还没有该类器件的报道。近年来也有不利用磁光效应或非线性效应实现光隔离功能的THz隔离器,其具有非常诱人的前景,但它们的工作机理尚存争议。

图1.7　SrFe12 O19法拉第THz隔离器的实验装置及其单向传输时域谱线[24]

与其他THz器件不同,国内外对THz非互易器件的理论和应用研究尚处于起步阶段。因此,研究THz单向隔离传输器件的电磁非互易特性,不仅具有非常重要的科学意义,也对高隔离度、宽带、低损耗THz隔离器和环形器的研制具有十分重要的促进作用。

(8)THz传感器

作为THz传感与检测系统中的核心器件,THz传感器的研究一直受到人们的关注。传统THz光谱系统无法满足极微量样品的定性甚至定量检测的要求,这就急需将高灵敏度THz传感器应用于THz传感与检测系统中。而人工微结构器件的兴起恰恰为新型THz传感器的研制提供了新的手段,它们的强电磁场局域特性增强了THz波与被检测物质的相互作用,显著地提高了被检测物质的探测灵敏度,有助于降低被检测物质的体积和质量,从而实现微量物质的高灵敏度检测。例如,2006年,Miyamaru等采用金属孔阵列进行了THz微量样品检测实验研究[29];2007年,Yoshida等采用金属网栅进行了蛋白质探测,证明其可以应用于THz生物传感[30],同年,Debus等采用频率选择表面实现了高灵敏度THz传感[31];2008年,中国科学院物理研究所的汪力教授课题组利用开口谐振环的谐振特性对微量液体种类进行了检测[32];2009年,Mittleman课题组采用平行平板波导(Parallel-Plate Waveguide,PPWG)谐振腔实现了微流体传感,灵敏度高达3.7×105纳米/折射率单元,同时具有实时在线监测的优点[33];2012年,他们将单个谐振窗口增加到两个,可以同时对两种微流体样品进行在线监测[34]。

现有THz传感器主要采用超材料或金属孔阵列等平面结构,其在THz波传播方向上没有周期性的谐振单元,因此很难具有强谐振。同时,其平面几何结构也很难精确控制附着于传感器上样品的数量,难以实现对样品的定量检测,因此尚需进一步利用三维或准三维人工微结构进行高灵敏度、定量THz传感器的研究。除了对物质类型和数量的检测外,利用THz微结构功能器件实现对其他物理量的检测也将具有广阔的应用前景,例如,Li等在柔性有机薄膜基底上制作了超材料,其谐振谱线随外力作用下的形变而移动,通过太赫兹时域光谱(Terahertz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS)系统进行微应力的传感实验研究。