CN116454642A - 一种可调谐窄带太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可调谐窄带太赫兹吸收器，该吸收器自下而上分别是完美电导体(PEC)衬底，周期性的电介质纳米阵列单元结构，以及覆盖在电介质结构上的二维黑磷薄膜。其中，电介质纳米阵列单元结构由嵌入了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,n＝1.5)圆柱体的方形硅块(n＝3.42)组成，嵌入的圆柱体与硅块具有相同的高度h。黑磷的电子掺杂浓度为3×1013cm‑2，利用黑磷薄膜与具有折射率差的介质表面发生的等离子体激元共振效应，可以在太赫兹波段内产生共振从而达到完美吸收的效果。本发明可以通过改变电介质圆柱的直径D，电介质层高度h，以及黑磷电子的掺杂浓度，可以在TM、TE偏振下达到高吸收率，并且在66～75μm波段范围内，实现共振吸收峰的动态调控。
Description
技术领域
本发明涉及微纳集成光电子技术领域，具体是指基于引入黑磷材料的可调谐窄带太赫兹吸波器。
背景技术
黑磷(BlackPhosphorus)是一种层状二维材料，具有明显的各向异性。单层黑磷呈现出直接带隙，其带隙大小约为0.3～2eV，因此在可见光和红外光范围内有很好的吸收和发射性，可用于太赫兹光源、光检测器、光调制器和光学传感器等设备。
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。太赫兹波在太赫兹波在无损检测、安全检测、通信、医学、材料科学等领域都有着重要的应用潜力。
随着人们对太赫兹波段的窄带吸收的重视，黑磷对于太赫兹波段窄带吸收作用引起许多人的关注，但大多数基于黑磷和单一的电介质材料的共振吸收表现出一种低吸收率、低品质因数的特征。增加吸收率的一种解决办法是在设计中引入多层电介质结构，但这加大了制备难度。目前亟须一种易调谐、结构简单、制备容易、耐磨性强的，并且在TE和TM偏振下均能保持高吸收率的太赫兹窄带吸波器。
发明内容
基于以上问题，本发明提供了一种可调谐窄带太赫兹吸波器的设计方案和仿真结果。该吸波器能通过调节结构参数而且通过控制吸波器的结构参数来控制吸波器达到临界耦合条件，并能起到调谐的作用。在TE和TM偏振下的吸收分别能达到99％和98％。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
为了在66～75μm的太赫兹波段范围内实现高吸收率的窄带吸收，本发明提出了一种可调谐窄带太赫兹吸波器，其单元结构由完美电导体(PEC)衬底、电介质层为折射率为1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)圆柱体嵌入折射率为3.42的方体硅介质中，最上层为二维黑磷块。本发明可以通过调控电介质层的高度、圆柱体的直径和黑磷的电子掺杂浓度可以调谐吸收峰。该结构x和y方向上的周期是30μm。
附图说明
图1为本发明的立体阵列结构示意图(a)和单个周期结构x方向的示意图(b)和y方向的示意图(c)。
图2为在TE偏振和TM偏振下，电介质材料无PMMA圆柱和(a)，和有嵌入PMMA圆柱(b)的吸收谱对比图。
图3为改变介质圆柱直径d以1μm步长从7～15μm的吸收谱变化图分别为(a)和(b)。
图4为在TE偏振和TM偏振下，改变电介质层的高度以1μm步长从11.5～15.5μm的吸收谱变化图分别为(a)和(b)。
图5为在TE偏振和TM偏振下改变黑磷的电子掺杂浓度以1×1013cm-2为步长从1×1013cm-2增加到9×1013cm-2吸收谱的变化图分别为(a)和(b)。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例以及附图对本发明作进一步解释说明，以下实施例仅对本发明进行说明并非对其加以限制。
本发明提供可调谐窄带太赫兹吸波器。如图1所示，该结构包括PEC衬底层，电介质层为折射率为1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)圆柱嵌入折射率为3.42的硅方体中，最上层为覆盖整个周期结构的黑磷薄膜。
黑磷薄膜的相关电学参数由Drude模型描述，其电导率可表示为：
其中衬底层的厚度设置为大于四分之一波长的厚度，图1(a)为该黑磷吸波器的三维结构示意图，图1(b)为单个周期的x方向示意图，图1(c)单个结构y方向示意图。
本吸波器定义吸收为A＝1-R-T，结构的衬底为PEC，其作用是充当完美反射镜，使其透射率始终为零，则吸收率可以表示为A＝1-R。品质因数定义为：
Q＝λ0Δλ (3)
Δλ为半峰全宽(FWHM)。
采用三维时域有限差分法(FDTD)法对结构进行仿真，FDTD边界条件设置：x、y方向设置为周期(Period)边界条件，z轴正负方向设为完美匹配层(PML)。输入平面光的波长66～75μm，方向沿着z半轴。将二维黑磷块和三维圆柱体用5nm的网格覆盖，再用10nm的网格覆盖整个结构，在光源正上方设置反射率监视器，在整体结构下方设置透射率监视器，经过收敛性测试后进行数据分析，获取监视器里的数据加以计算可以得到吸收谱曲线。
平面波从z轴负方向垂直入射介质结构阵列，平面光照射下，黑磷和两不同电介质之间产生局域表面等离子体激元共振，形成太赫兹波段的窄带吸收共振峰，改变吸波器的结构参数和黑磷电子掺杂浓度可以调整吸波器的吸收状态，使其能获取最高的吸收效率。
图2为固定周期px和py为30μm，介质结构高度为13μm，圆柱体直径为13μm，二维黑磷块的边长W为30μm和黑磷电子掺杂浓度为3×1013cm-2。当介电层未内嵌PMMA圆柱体时，TE偏振下吸收率随波长增加从4％减小到0.7％；TM偏振下，吸收率随波长增加从10％减小到2％。当介电层为嵌入了圆柱体PMMA的混合结构时吸波器时，TE偏振下最高的吸收率能达到99.9％,品质因数为105。TM偏振下吸波器的最高吸收率达80％，品质因数为64.64，峰值移动了305nm。
这表明了这种以高低折射率嵌入结构作为电介质层时，黑磷吸波器无论是在TE偏振还是在TM偏振，在太赫兹波段存在明显的窄带吸收作用。
图3为固定周期px和px为30μm，介质结构高度为13μm，二维黑磷块的边长W为30μm,黑磷电子掺杂浓度为3×1013cm-2，TE偏振和TM偏振下，改变介质圆柱的直径D，以1μm步长从7～15μm的吸收谱变化图分别为(a)和(b)。在TE偏振下随着内嵌PMMA的直径从7μm增加到15μm时共振吸收峰共振位置向短波长移动，最大吸收率经历了由55％到99.9％再到94％过程。直径D在12～13μm的范围内，吸波器能保持高吸收效率。TM偏振下吸波器的共振吸收峰的共振位置逐渐向短波长移动，共振峰的最大吸收率逐渐增大从32％增加到98％，直径D为7μm时，吸收率最高。
图4为固定周期px和px为30μm，圆柱体介质结构直径为13μm，二维黑磷块的边长W为30μm和黑磷电子掺杂浓度为3×1013cm-2，TE偏振和TM偏振下，改变电介质层的高度以1μm步长从11.5～15.5μm的吸收谱变化图分别为(a)和(b)。在TE偏振下，随着介电层高度的增加吸波器的共振吸收峰的共振波长位置向长波长方向移动，共振吸收峰的峰值始终保持在99.5％以上。说明TE偏振下改变电介质层的高度，可以在宽波长范围内调谐吸收谱。TM偏振下随着电介质层高度的增加，吸收峰从80％增加到90％，共振位置也向长波长移动。然而当介质层的高度大于13μm时，吸波器还有其他吸收峰产生，无法形成完美的吸收。
图5为固定周期px和px为30μm，圆柱体介质结构直径为13μm，二维黑磷块的边长W为30μm，电介质层高度h为13μm，TE偏振和TM偏振下改变黑磷的电子掺杂浓度以1×1013cm-2为步长从1×1013cm-2增加到9×1013cm-2吸收谱变化图。在TE偏振下吸收峰的峰值从低到高再到低，说明在TE偏振下改变黑磷电子浓度可以调节吸波器吸收峰，从而达到最优的吸收效果。TM偏振下随着黑磷电子浓度的增加，吸波器的吸收率逐渐下降，共振位置向短波段移动。
本发明提出了一种可调谐窄带太赫兹吸波器，通过改变内嵌圆柱的直径、电介质层的高度以及黑磷的电子浓度可以对光进行调控，进而在太赫兹波段实现完美的吸收，而且聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和硅材料价格低廉易获取。因此本吸波器具有结构简单、吸收率高、制造简单的特点，在太赫兹光电探测、太赫兹成像、太赫兹传感方面起到重要的作用。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种可调谐窄带太赫兹吸波器，该吸波器自下而上分别是完美电导体(PEC)衬底，周期性的电介质纳米阵列单元结构，以及覆盖在电介质结构上的二维黑磷薄膜；其中电介质纳米阵列单元结构由嵌入了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,n＝1.5)圆柱体的方形硅块(n＝3.42)组成；其中硅立方体长宽均为30μm、高为13μm，PMMA圆柱体的直径和高均为13μm，该吸波器利用黑磷薄膜与具有折射率差的介质表面发生的等离子体激元共振效应，可以在太赫兹波段内产生共振从而达到完美吸收的效果。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐窄带太赫兹吸波器，其特征在于：改变黑磷的电子掺杂浓度，可以使得所设计的吸波器对处于TE、TM模式下，入射光的吸收率均达到98％以上，且能够通过改变黑磷的电子掺杂浓度，在66-75μm范围内，不同波长位置均实现高吸收率的共振吸收峰。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐窄带太赫兹吸波器，其特征在于：当入射TE模式的偏振光、内嵌圆柱体直径在9-15μm范围内时，该吸波器的共振吸收峰的峰值始终保持在80％以上，且共振吸收峰能在66～75μm范围内移动。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐窄带太赫兹吸波器，其特征在于：当入射光在TE模式、介质层高度在11.5～15.5μm的范围内时，该吸波器的共振吸收峰的峰值始终保持在99.5％以上，且共振吸收峰能在66-75μm范围内移动；当入射光在TM模式、介质层高度在11.5～15.5μm的范围内时，该吸波器的共振吸收峰的峰值始终保持在80％以上。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐窄带太赫兹吸波器，其特征在于：具体仿真条件以及参数的设置如下：FDTD仿真区域px和py为30μm，入射光波长范围是66～75μm，入射方向沿z负半轴。
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