基于类电磁诱导透明的定频可调太赫兹超材料器件研究与应用

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超材料具有自然界材料所不具备的电磁特性,可以在亚波长尺度上对电磁波实现有效操纵,且能突破衍射极限的约束,为大规模集成光子学器件开辟了新的途径。基于超材料的EIT-like效应可以不受原子系统中电磁诱导透明现象所需的苛刻实验条件限制,并且通过光控、温控、电控等方式实现透明窗口主动可控,在高灵敏度传感器、太赫兹调制器和光存储等领域中展现出了广阔的应用前景。本文围绕类电磁诱导透明太赫兹超材料展开研究,通过明明模和明暗模两种超材料实现EIT-like的方法,设计了基于石墨烯的定频可调EIT-like太赫兹超材料器件,并仿真分析了器件的电磁特性以及应用在折射率传感器、慢光及调制器等方面的性能表现。主要研究内容如下:(1)、设计了一种基于石墨烯掺杂的类电磁诱导透明的定频可调太赫兹超材料器件,由两个水平对称的单层石墨烯微环和一个垂直的单层石墨烯微带组成。入射波电场y方向极化下在透射谱观察到类电磁诱导透明窗口。通过改变石墨烯的载流子迁移率,可以在EIT-like窗口位置不变的情况下实现透明窗口幅值可调。通过z方向上电场分布和三能级原子系统解释了EIT-like效应的物理机制。基于洛伦兹谐振模型和S参数反演法的理论拟合结果与软件仿真分析一致。此外,还分析了该器件检测周围介质折射率的性能。数值模拟表明,当FOM超过8.0时,灵敏度为1.6 THz/RIU。最后,随着石墨烯载流子迁移率的增加,器件的群延时增加,其最高群延时为1.49 ps,群指数达400。(2)、设计了一种基于可调类电磁诱导透明的定频可重构太赫兹超材料器件,其透明窗口不会随石墨烯费米能级变化而发生频移。该器件单元结构由两个单层石墨烯谐振器组成,即左双石墨烯大圆环和右双石墨烯小圆环。在透射谱中,两个谐振器明模之间的近场耦合导致了明显的透明窗口(EIT-like效应),在1.98THz处获得了超过0.8的透射系数。通过外加电压单独重新配置两个明模谐振器的费米能级,可以在EIT-like窗口透射峰位置保持不变的情况下,实现主动调节EITlike效应、透明窗口振幅和群延时。值得注意的是,透明窗口在不改变位置的情况下被完全调制,最大调制深度达到78%。此外,由于石墨烯总面积A在所提出的结构中有效地减小,因此预估调制速度也明显提高,达到9.2MHz。与其他太赫兹超材料器件相比,该结构的调制速度表现出更高的性能,且EIT-like窗口位置保持不变。进一步,在四圆环中间放置单层石墨烯微带,可以实现双类电磁诱导透明现象。当只改变石墨烯微带的费米能级时,可以实现双透明窗口的幅度调节,且提高了预估调制速度,最高达到182.9MHz。本研究为开发恒频可重构太赫兹超材料调制器件(如光开关和调制器)提供了一种替代方法,也为太赫兹器件的小型化提供了一种潜在途径。
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