本小节介绍通过介质超表面来增强液晶对THz波的相位调控,实现可调谐THz相移器。根据超材料中类EIT效应的基本原理,复合介质超表面结构可以实现偏振相关的EIT效应,且具有大的双折射效应。这里选取了基于栅单元和格单元的复合介质超表面结构,如图8.24(a)和图8.24(b)所示。经过详细地优化几何参数之后,使得该复合介质超表面的EIT效应在0.6~0.9 THz内具有最大的模式双折射,其中单元周期P x和P y分别为200μm和440μm,栅的宽度和格的边长均为120μm,格与格之间的间隔为80μm,格与栅之间的间隔为100μm,该复合介质超表面结构是在500μm厚的10 kΩ·cm高阻硅上进行刻蚀的,刻蚀深度h=120μm,加工所涉及的MEMS工艺的具体步骤如下。
图8.24 栅-格复合介质超表面的结构图[19]
(a)超表面的SEM图;(b)超表面的栅格单元结构的SEM图;(c)实验配置中该超表面的3D结构示意图
(1)制作掩膜版。利用L Edit软件来绘制器件结构的表面图,并用电子束曝光法制成掩膜版。
(2)基片的选取和清洗。将选取的高阻硅片和掩膜版放入硫酸和双氧水清洗液中进行清洗。
(3)旋涂光刻胶。光刻胶分为正胶和负胶,其中曝光后溶解在显影液中的光刻胶为正胶,不溶解的为负胶。使用甩胶机将光刻胶旋涂到硅晶圆上,并通过甩胶机的转速和时间来控制胶的厚度。
(4)前烘。将涂胶之后的样品放入烘干机中烘干。
(5)光刻。将烘干后的样品在已制备好的掩膜版下进行紫外曝光,曝光时间取决于光刻胶的敏感度、厚度以及紫外光的功率。
(6)后烘。将曝光后的样品再次放进烘干机中烘干定型。
(7)显影。将样品放进显影液中,被曝光的光刻胶溶解于显影液中(正胶)或者未被曝光的光刻胶溶解于显影液中(负胶)。再次对样品进行烘烤定型,去除残留的显影液。
(8)电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蚀。通过ICP刻蚀对硅片进行深刻蚀,裸露的硅片则被刻蚀掉,刻蚀时间决定了刻蚀的深度。由于刻蚀并非垂直推进的,而是向外侧不断拓宽进行的刻蚀,因此为了保证结构不发生断裂,最大的刻蚀深度为120μm。
(9)去除光刻胶后激光划片。利用等离子体法将氧气在高电压下电离产生氧离子来对光刻胶进行氧化去除,然后用激光划开。(www.xing528.com)
利用THz-TDS系统对样品器件进行测量研究,图8.24(c)所示为复合介质超表面结构的3D结构示意图,一束y偏振的THz波沿着z方向正入射超表面,定义复合介质超表面的栅脊方向与偏振方向的夹角为θ,并通过旋转复合介质超表面结构来探测不同偏振方向下的透射信号。
测量得到的θ为0°、45°和90°不同偏振方向下的时域脉冲信号以及参考信号如图8.25(a)所示,对时域脉冲信号做傅里叶变换之后,可根据式(8.12)得到图8.25(c)所示的不同偏振方向下的透射率：
式中,E sam(ω)和E ref(ω)分别为样品和参考信号的振幅。从图中可以看出,当θ=0°时,在0.75 THz处出现一个深为-20 dB的谐振谷。随着偏振旋转角度的增加,在相同频率点该谐振谷逐渐变成谐振峰,并同时产生两个新的共振吸收峰。当θ=90°时,该透射峰位于0.72 THz,两个谐振谷分别位于0.63 THz和0.84 THz。这是典型的EIT效应的光谱线型。
图8.25
(a)不同偏振方向下复合介质超表面的THz TDS时域脉冲信号和参考信号;(b,c)在不同偏振方向下,复合介质超表面的有效折射率和透射光谱;(d)不同偏振方向下超表面的模拟透射光谱[19]
图8.25(b)为不同偏振方向下的有效折射率。当θ=0°时,在0.5~0.7 THz内,复合介质超表面的有效折射率从3.2增加到3.4;而随着偏振旋转角度的增加,特别是当θ=90°时,有效折射率在0.7 THz附近从3.2降到3.0,在0.8 THz附近继续从3.0降到2.8。该现象也对应着EIT效应,并且该EIT效应中的每个共振均伴随着折射率的急剧变化。也就是说,这种基于栅-格单元的复合介质超表面结构在两个正交偏振方向之间实现了偏振相关的EIT效应和高的人工双折射。当频率大于0.8 THz时,该介质超表面的人工双折射系数超过0.6(θ=0°偏振下为3.4,θ=90°偏振下为2.8)。
图8.25(d)为用FDTD算法对复合介质超表面仿真模拟得到的透射光谱,从图中可以看出仿真模拟与实验结果相吻合。为了进一步研究EIT效应的机理,我们还模拟了不同结构在0.72 THz处θ=0°和θ=90°的场分布图,包括栅-格复合结构、格单元结构和栅单元结构,如图8.26所示。在图8.26(c)和图8.26(d)中,不管是θ=0°还是θ=90°,都可在格单元结构中激发模式,我们把这种模式称为强共振模式(也称为明模式)。而对于栅单元结构则只有θ=90°时才可在其中激发模式,我们把这种模式称为弱谐振模式(也称为暗模式),在θ=0°时栅单元结构中是没有模式的,如图8.26(e)和图8.26(f)所示。如图8.26(a)和图8.26(b)所示为栅-格复合结构的场分布图,当θ=0°时,由于栅单元结构中没有模式,因此这种情况下不存在模式耦合;但当θ=90°时,格单元结构中的明模式和栅单元结构中的暗模式同时存在,这两个模式场在空间上非常接近,且具有相同的相位,导致两个模式之间发生耦合和相干叠加,由于模式之间的干涉相长,原本的谐振谷变为透射峰。因此,该复合介质超表面的EIT效应取决于格单元结构和栅单元结构之间的模式耦合和干涉。
图8.26 不同结构和偏振方向下复合介质超表面在0.72 THz处的模拟场分布图[19]
(a,b)θ=0°和θ=90°的栅格复合结构;(c,d)θ=0°和θ=90°的格单元结构;(e,f)θ=0°和θ=90°的栅单元结构__________________________________________________________________
总而言之,栅-格复合介质超表面结构由于其人工高双折射的优点,可以广泛地应用于太赫兹波片和可调谐相移器当中。
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