柱型磁光超表面结构的太赫兹隔离器和磁场传感器

这一小节介绍一种柱状磁光超表面结构,与“π”字形磁光超表面结构相比,柱状磁光超表面更适用于现代微加工技术进行制备,同时这种超表面结构在温度T=218 K时,可以将器件的共振“锁定”在固定频率,外磁场强度在0.23 T到0.35 T变化时,隔离度可以一直保持在30 dB以上。而当温度大于或者小于218 K时,磁光超表面的谐振位置受磁场强度变化的影响较大,利用这一特性可以实现磁场传感功能。

柱状磁光超表面的结构示意图如图7.42所示。同“π”字形磁光超表面器件类似,该器件有两层不同的材料层：顶层由InSb组成,厚度为100μm;底层为二氧化硅,厚度为50μm。晶胞周期P=120μm。如图7.42(b)所示,周期单元结构中由三个InSb材料的圆柱组成,其中两个InSb圆柱的半径r=22μm,另一个大圆柱的半径R=31μm。较小的圆柱在x轴方向上与边界的距离d=30μm,在y轴上与边界的距离h 1=35μm。较大的柱子在x轴的中心,与y轴的边界距离h 2=35μm。如图7.42(a)所示,太赫兹波沿着z轴正方向入射,偏振沿y轴方向,外磁场施加于x轴正方向。在此配置下,K、E和B这3个矢量彼此正交。同“π”字形磁光超表面器件一样,周期单元结构对E偏振方向来说是非对称的,因此也可以实现非互易单向传输。

图7.42　

(a)柱状磁光超表面结构的三维示意图,图中标明了太赫兹波传输方向、偏振方向和外磁场方向;(b)周期单元结构的平面图,其中P=120μm,r=22μm,R=31μm,d=30μm,h 1=35μm,h 2=35μm;(c,d)当温度T=218 K和外磁场强度B=0.29 T时,频率为0.75 THz的太赫兹波在x-z面上的磁场分布和在x y面上的电场分布[16]

如图7.43(a)所示,与“π”字形磁光超表面一样,磁光超表面谐振同样出现在圆柱结构的超表面的透射光谱中,其正反向谐振V-和V+也发生了分离。通过改变温度和外磁场强度可以优化磁光超表面的谐振。当温度T=218 K、外磁场强度B=0.29 T时,太赫兹波在器件中反向传输时,在频率为0.75 THz处有很强的谐振,谐振强度可达43 dB;而正向传输时的谐振频率为0.85 THz。因此,它同样可以作为THz隔离器使用,在0.75 THz处隔离度I SO=|S 21|2-|S 12|2=42.1 dB,10 dB工作带宽为10.2 GHz,插入损耗小于3 dB,如图7.43(d)所示。图7.42(c)和图7.42(d)展示了频率为0.75 THz的太赫兹波通过器件时的磁场分布和电场分布,从图中可以看到InSb圆柱中发生了磁偶极子谐振,当0.75 THz的太赫兹波反向传输时,由于强谐振的存在,能量无法传输。(www.xing528.com)

图7.43　

(a)当温度T=185 K和外磁场强度B=0.3 T时,太赫兹波正向传输的透射光谱|S 21|2和反向传输的透射光谱|S 12|2;(b)当温度T=230 K和外磁场强度B=0.29 T时,太赫兹波正向传输的透射光谱|S 21|2和反向传输的透射光谱|S 12|2;(c)在不同温度T=195 K、218 K和230 K下,隔离度最大值对应的频率随磁场变化的情况;(d)当T=218 K时,外磁场强度B=0.23 T、0.29 T和0.35 T时的隔离度光谱[16]

由于磁等离子体的介电特性会受到温度和磁场的影响,导致磁光超表面谐振强度和位置的变化。通常情况下,当温度和磁场变化时,器件对应的隔离度最大值的频率位置会发生移动。图7.43(c)显示了不同温度下,随着磁场的增加,隔离度峰值频移的情况。当T＞218 K时,随着磁场的增加,隔离度峰值频率向低频方向移动,T＜218 K时隔离度峰值频率向高频方向移动。当温度刚好为218 K,磁场从0.11 T变化到0.35 T时,隔离度峰值频率固定在0.75 THz,而且隔离度也可以保持在30 dB以上,如图7.43(d)所示。这说明在这个温度下,隔离器在外磁场强度发生变化时依然能保持很好的工作状态。在其他温度下,磁光超表面谐振频率随磁场强度变化的频移接近线性变化,根据这种磁场、温度变化的规律,可以拟合一个谐振频移的公式：

式中,ωc为回旋频率,是随磁场变化的物理量;对应的ωp0为等离子频率ωp在T=218 K时的值;ω0为一个常数;k为线性系数。