器件非互易传输特性及形成机理分析

通常情况下,对隔离器性能的评估主要考虑两个因素：一是正向入射的透射率要高,即插入损耗小;二是反向传输和正向传输之间的高隔离度。这里使用CST模拟仿真了器件正向传输的光谱|S 21|2和反向传输的光谱|S 12|2,如图7.39(a)所示,其中传输方向K、偏振态E和磁场方向B的配置同图7.38(a)一致。从图中可以看到正向传输的光谱和反向传输的光谱中都存在一个谐振谷,但是反向传输的谐振频率要低于正向,我们可以利用这个特性实现高效的隔离功能。当频率为反向谐振频率的太赫兹波正向入射器件的时候,由于正向谐振频率与反向谐振频率不重合,因此该频率的THz波可以低损耗地正向传输;当反向入射器件的时候,因为位于谐振位置,因此被禁止传输。图7.39(a)的插图中显示了这个器件的隔离度光谱,其中Iso=|S 21|2-|S 12|2。从图中可知,当温度T=195 K、磁场B=0.3 T时,器件的反向传输光谱|S 12|2在0.68 THz处的透射强度为-44.79 dB,而正向传输光谱|S 21|2=-1.79 dB,所以隔离度可达Iso=43 dB。当0.68 THz的太赫兹波正、反向入射器件时,器件的磁场分布如图7.39(b)所示,可以看到频率为0.68 THz的电磁波可以从端口1传输到端口2,但是不能从端口2传输到端口1,即实现了隔离传输功能。

图7.39　

(a)当T=195 K、B=0.3 T时,器件的正向传输光谱|S 21|2和反向传输光谱|S 12|2,插图是隔离器的隔离度光谱;(b)当T=195 K、B=0.3 T时,频率为0.68 THz的太赫兹波正、反向入射器件时xz截面上的磁场分布[15]

下面讨论这个磁等离子体超表面非互易传输的产生机制。仿真模拟了入射波偏振方向和外磁场方向不同时器件的正向和反向的透射光谱,如图7.40所示。我们用E x B x来表示入射波偏振方向和磁场方向均沿着x的方向。从图中可以看到这些光谱中出现了两个谐振,我们定义为V1和V2。V1在0.7 THz附近,V2在0.94 THz附近。其中谐振V2只在E x-B x和E x-B y时出现,而谐振V1只在E x B y和E y B x时出现。而只有在E y-B x情况下,谐振V1的后向传输谱和前向传输谱不一样,实现了非互易隔离传输功能。其他情况下,前向和后向传输光谱是重叠的。

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图7.40　当T=195 K、B=0.3 T时,不同偏振方向和外磁场方向不同下器件的正向传输光谱|S 21|2和反向传输光谱|S 12|2,B x表示外磁场方向沿x轴正方向,E y表示入射的太赫兹波偏振方向沿y轴方向[15]

在E y -B x的配置下,THz波在InSb等离子体中传输,y z平面中会有椭圆偏振的电场分量E y和E z;在E x-B y的配置下,x-z平面中具有E x和E z分量。谐振V1只出现在这两种情况下,表明这个谐振与InSb中的椭圆偏振模式相关。这种椭圆偏振模式形成旋转变化的电场会引起磁偶极子共振。如图7.39(b)所示的磁场场强分布,当频率为0.68 THz的太赫兹波入射时,InSb微结构产生磁偶极子共振。当谐振强度很大时,传输的电磁波能量被这个谐振局限在微结构器件上。当材料参数(温度、磁场等)固定时,谐振频率和强度主要取决于与入射波偏振方向正交的InSb微结构的宽度。

这种谐振也与结构对称性强烈相关。E y B x和E x B y情况下的磁偶极子共振是不同的,这是由超表面结构的不对称性引起的。如图7.39(b)所示,假设圆偏振光在正向传输的x-z平面中是左旋的话,反向传输则是右旋的。如果装置结构沿x方向对称[图7.40(c)],前向传输和后向传输(左右旋转波)是完全等效的,所以前向传输和后向传输是互易的。但是,当超表面在入射波偏振方向上是非对称结构的时候(即E y-B x的情况,沿y方向是非对称几何结构),前向传输与后向传输的情况就不一样了,如图7.40(b)所示。由于左右旋转磁等离子体模式传输的等效折射率不同,所以正向传输和反向传输的谐振频率分别向高频和低频移动,分裂成V1-和V1+。正是因为这一对不对称的非互易谐振模式,导致器件正反向传输的高度隔离。因此,超表面结构的不对称性、入射太赫兹波的偏振方向以及外磁场方向三个因素决定了这个器件的谐振和非互易传输特性。这种与磁光等离子体相关的微结构谐振定义为“磁光超表面谐振”。

另外,在E x-B x和E x-B y两种配置情况下,THz波在磁等离子体结构中都具有x方向的偏振分量E x,由此可推知谐振V2是由超表面结构中的E x偏振激发的,这类似于传统介质超表面谐振(MIE散射谐振)的结果。在E y-B y的配置中,THz波在磁等离子体结构中只有y方向偏振分量E y,因而既没有与E x相关的V2谐振,也没有与椭圆偏振相关的V1谐振。

根据上述讨论我们可以得出：(1)谐振的产生和谐振频率与单元结构、入射光的偏振态以及外磁场的强度相关。(2)实现非互易传输的第一个条件是入射波与受外磁场调制的磁等离子体相互作用,超表面结构应当由磁光材料构成,并且太赫兹波的偏振方向应与外磁场方向正交;第二个条件是在满足第一个条件的基础上,超表面的结构要在入射波的偏振方向上具有不对称性。这样才能打破传输系统的时间反演对称性,实现非互易传输。