- 作者：李达民，袁苏，杨荣草，田晋平，张文梅（山西大学物理电子工程学院）
- 出处：光学学报
2020 第40卷 第8期 P105-112 0253-2239 - 关键词：材料；太赫兹；多态；超材料；吸收器
- 摘要：基于光敏半导体材料电导率可被外部泵浦光调控的特性,通过在嵌套的类方环单元结构中嵌入半导体材料砷化镓,设计了一种动态光控单频/双频可切换的超材料吸收器。在此基础上,根据不同波长的泵浦光对不同半导体材料的激发特性,引入第二种半导体材料锗,将第一种结构进行拓展,提出了一种光可控的多频段超材料吸收器,利用不同波长的泵浦光调控半导体材料的电导率,实现了单频/双频/三频吸收状态任意切换的吸收特性。仿真结果表明,所设计的吸收器具有偏振不敏感和宽角度入射的特性,有望在调制器、频率选择器、探测器等领域得到应用。
- 下为部分内容：
- １ 引 言
近年来，由于太赫兹波在成像、传感、探测、频率选择以及通信等方面具有巨大的应用前景，太赫兹器件受到广泛关注［１－７］。Ｔａｏ等［８］提出第一个太赫兹超材料完美吸收器。Ｙｅ等［９］通过堆叠三层金属十字结构，实现了一种太赫兹全向宽带吸收器。Ｈｕ等［１０］提出了一种由两层介质分隔的三层金属结构，实现了极化不敏感的四个窄带吸收。值得注意的是，这些吸收器制成后，其吸收带宽也随之固定，这在一定程度上限制了吸收器的应用。为了解决这一问题，一些相变材料［１１］如二氧化钒（ＶＯ２）［１２－１４］，石墨烯［１５－１８］，光敏半导体［１９－２２］等相继被引入到可调或可开关的太赫兹超材料吸收器中。Ｚｈａｏ等［１３］提出了一种基于ＶＯ２的多层叠加结构，通过控制ＶＯ２的相变，实现了从一个宽带到另一个宽带的可切换吸收。Ｈｕａｎｇ等［１７］通过调节石墨烯的化学势，设计了一种宽带动态可调吸收器。
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Ｚｈａｏ等［１９］利用半导体ＧａＡｓ贴片制作了光控超薄可调超材料吸收器。通过在金属谐振器结构中嵌入半导体材料硅（Ｓｉ），Ｃｈｅｎｇ等［２０］提出了一种光激发单频／单频段可切换吸收器。Ｙｕａｎ等［２１］设计了两种分别实现蓝移和红移的单频／双频可切换吸收器。然而，上述可调或可开关的超材料吸收器大多数仅能实现单频／单频或单频／双频段的切换。为了扩展超材料吸收器的工作频段，考虑到ＧａＡｓ比Ｓｉ具有更高的电子迁移率、更大的禁带宽度以及更低的功耗［２２］，基于文献［２１］的工作和不同光敏半导体材料对不同波长泵浦光响应的特性，本文利用ＧａＡｓ和Ｇｅ两种光敏半导体材料，设计了一种新型可开关的多频段超材料吸收器。
本文在吸收器单元结构中嵌入半导体材料ＧａＡｓ，采用嵌套的类方环结构实现了一种动态光控单频／双频可切换的超材料吸收器。在此基础上，将第一种结构进行拓展，将具有不同光敏特性的ＧａＡｓ和Ｇｅ分别嵌入到三个嵌套类方环的间隙中，利用不同波长的泵浦光照射吸收器，实现了单频／双频／三频吸收状态间的任意切换。此外，通过分析吸收器的表面电流分布和偏振敏感及斜入射特性，研究了吸收器切换效应的机理和吸收特性。