太赫兹波高品质因子石墨烯器件研究

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太赫兹波(Terahertz,1 THz=1012Hz)是位于微波和远红外波间的电磁波,在无线通信,安全系统和天文物理等领域中具有十分广泛的应用前景。新兴的超材料(Metamaterials,MMs)可以实现人工调控电磁性质,为太赫兹器件的开发提供了广阔的设计空间。基于非对称结构的明模式和暗模式相互作用产生的Fano共振具有高品质因子且共振曲线尖锐。石墨烯具有高载流子迁移率和良好可调性的优点,它是太赫兹器件的理想调控介质。为了获得较高性能的THz可调谐器件,我们以石墨烯微结构为有源区,采用有限积分法开展了超构材料器件的模拟设计工作,主要研究了结构参数,石墨烯费米能级和工作频率的影响,所得主要结论如下。基于石墨烯双椭圆不对称微结构,通过沿着入射波极化方向平移两个椭圆结构的方法引入非对称度,可以激发明显的Fano共振谷。当不对称度在6-18μm的范围内变化时,Fano峰的振幅调制深度达到75%以上,其Q因子的值大于13。当石墨烯费米能级为0.2-1.0 e V时,Fano共振峰的频率和幅值调制深度分别为5%和46%。在石墨烯非对称双条带微结构基础上,设计实现了一种新型双峰THz可调谐吸收器,当两个条带的长度为26μm和16μm时,在1.06 THz和1.67 THz出现两个明显的共振吸收峰,对应的吸收峰值为84%和90%。另外,通过整片石墨烯层代替金属衬底,该结构可以实现对入射太赫兹波的双向调节:如果太赫兹波正向入射,该结构为典型的吸收器,其吸收率可以达到88%;若太赫兹波反向入射,石墨烯双条带微结构可以作为反射型调制器,则其振幅和频率调制深度将达到81%和49%。
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