1、十字形結(jié)構(gòu)在太赫茲波段的無偏窄帶濾波特性研究* 國家自然科學基金（批準號： ）通訊聯(lián)系人E-mail: guozhong-zhao魏波 趙國忠 劉立明 張盛博 張杲輝（太赫茲光電子學教育部重點實驗室，北京市太赫茲波譜與成像重點實驗室，首都師范大學物理系,北京，100048）摘要：本文從數(shù)值模擬和實驗兩方面對十字形陣列結(jié)構(gòu)進行了研究，證實了該結(jié)構(gòu)在太赫茲波段具有窄帶無偏帶阻濾波特性.研究表明：當十字形結(jié)構(gòu)尺度一定時，能通過大多數(shù)頻率段的太赫茲光，但將某些范圍的頻率衰減到極低，且隨著偏振角度的改變時透射凹陷所在的頻率位置幾乎不發(fā)生改變，證明該結(jié)構(gòu)在太赫茲波段是一種很好的透射式無偏器件，理論模擬和實

2、驗得到了很好的吻合.理論模擬的計算是基于有限元方法，給出了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的透射機理.這對太赫茲波段亞波長光學濾波器件的研究具有很好的理論指導意義。關鍵詞：太赫茲光，透射特性，十字形陣列結(jié)構(gòu)PACS: 95.85.Fm, 81.05.Bx, 87.50.U_ ,76.70.Hb 1.引 言太赫茲（THz）波是指頻率在0.110THz（波長為30um3mm）范圍內(nèi)的電磁波它在長波段與亞毫米波相重合，短波段與紅外線相重合，在電磁波頻譜中占有很特殊的位置，使得THz波具有很多優(yōu)越的特性，如穿透能力、識別物質(zhì)的能力及成像能力等這些特性使得THz波具有非常重要的學術(shù)和應用價值，它已經(jīng)受到人們的廣泛關注1-3太赫

3、茲波還是一種大容量、高保密的帶寬信息載體，具有非常獨特的透射性質(zhì)，我們可以通過分析材料的透射光譜來獲得它的物理性質(zhì)以及組成成分等同時隨著光通信領域的發(fā)展，太赫茲波段的光子器件向小型化的趨勢發(fā)展，亞波長陣列結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了大家的關注4,5，6，如濾波器7，8、偏振器9,10和偏振補償器11等本文主要研究亞波長十字形陣列結(jié)構(gòu)的透射特性，并根據(jù)理論計算值加工樣品，然后利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）測量，從理論和實驗兩方面分析該現(xiàn)象。2.樣品結(jié)構(gòu)及制備本文首先通過理論模擬計算選取了兩組具有較窄帶寬的十字形結(jié)構(gòu)，分別為1號：L=l20um、W=5um、G=10um、T=130um；2號：L=l2

4、0um、W=5um、G=80um、T=200um然后用L-edit軟件畫出設計好的樣品圖形，在中國科學院電工研究所微納加工技術(shù)研究部制備模板，最后在中國科學院半導體研究所進行光刻，光刻是利用光刻膠的感光性和耐腐蝕性，在材料上復印并刻蝕出與光刻模版完全對應的幾何圖形，最后通過金屬化、剝離及刻蝕去膠工藝將所要的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上.我們的樣品是以厚度約為1mm的高阻硅作為襯底，然后在上面鍍有200nm厚的十字形金膜.樣品的尺度是一個50um×50um的陣列,其單元包的周期為200um，如圖1（b）為所示，灰黑色部分表示硅，金色部分表示在Si襯底上鍍的十字形金膜，T為十字形金屬網(wǎng)格的周期，L為

5、十字形的長度，W為線寬，十字形間的縫隙為G圖1（a）為THz波沿Z方向垂直入射到樣品的三維示意圖，圖1（b）為十字形陣列結(jié)構(gòu)的樣品示意圖3.實驗測量及理論模擬分析本文所作的三維模擬是采用笛卡爾坐標系，如上圖1（a）所示，THz波沿Z方向垂直入射到十字形表面，其偏振方向為水平偏振即沿X方向.模擬時采用周期邊界條件，即樣品在xy平面內(nèi)為無限延伸的周期結(jié)構(gòu),理論接近實際，然后利用有限元方法進行模擬，它能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水平，具有帶阻濾波器的特性，與帶通濾波器的概念相對.在太赫茲時域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）中進行測量時，為了減小水蒸汽對太赫茲波吸收的影響，用氮氣充

6、滿整個裝置所在的箱子，使相對濕度保持在3.6%的動態(tài)平衡，溫度為293.8K左右的實驗環(huán)境下，然后使THz光垂直照射到被測樣品上，THz光斑大約覆蓋100個十字形結(jié)構(gòu)單元包當THz光透過樣品時便會攜帶樣品的光學信息，通過電光取樣相干探測，即可獲得樣品的透射信息下圖為兩種不同尺度十字形陣列結(jié)構(gòu)在不同偏振角度下的透射譜，太赫茲偏振方向與該結(jié)構(gòu)一邊從0°到90每隔10°旋轉(zhuǎn)一次，其結(jié)果如下圖所示：圖2為1號樣品在不同偏振角度下的透射譜（a）為模擬所得的透射譜，（b）為實驗所得的透射譜圖3為2號樣品在不同偏振角度下的透射譜（a）模擬所得的透射譜，（b）實驗所得的透射譜從圖2、圖3中

7、可以清楚地看到當結(jié)構(gòu)尺寸一定時，實驗與模擬都顯示不同偏振角度下的透射譜，能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低，且隨著偏振角度從0°到90°依次改變時，其透射凹陷所在的位置不發(fā)生變化，理論計算對實驗有很好的預期.從實驗測得的圖2（b）、圖3（b），可以看到1號樣品的透射凹陷位置均在0.463THz處，2號樣品的透射凹陷位置在0.439THz處，透射凹陷的位置并不隨著偏振角度的改變而發(fā)生改變，說明十字形結(jié)構(gòu)在太赫茲波段具有很好的無偏帶阻特性.模擬與實驗測得的透射凹陷位置不一致，主要是由于模擬樣品是在真空中進行的，而實驗樣品是附予高阻硅基底上測的，導致透射凹陷所

8、在的位置發(fā)生偏移，但并不影響我們的研究.下圖給出1號、2號樣品的帶寬：圖4為透射譜圖和相位 (a),(b)分別為1號、2號樣品的透射譜圖，(c),(d)為1號、2號樣品相應的相位圖透射譜的帶寬用半極大全寬表示，即透射譜分布曲線上的兩個最大強度點之間的頻率寬度，如圖4（a）可以得到1號樣品透射譜的半極大全寬約為0.097THz,圖4(b)得到2號樣品半極大全寬約為0.03THz,說明不同的尺度可以得到不同帶寬的透射譜，十字形結(jié)構(gòu)在太赫茲波段可以起到很好的窄帶無偏濾波特性.圖4(c)、圖4(d)為相應透射譜對應的相位圖，圖4(c)得到1號樣品的相位改變約為1.12rad，圖4(d) 得到2號樣品的

9、相位改變約為0.72rad，不同透射譜同樣顯示他們的相位調(diào)制也不同，理論符合實際4.分析該現(xiàn)象的內(nèi)部機理根據(jù)微波和紅外頻段的帶隙特性研究所得的一系列研究結(jié)果如文獻12-14，表明在共振頻率處，電磁場會在金屬結(jié)構(gòu)線上激發(fā)出瞬態(tài)電流，此時電流振幅達到最大我們知道特定的結(jié)構(gòu)都有其固有頻率，當入射電磁波的頻率接近此固有頻率時，就會引起共振，這時與入射波相對應的電流位相就會發(fā)生的躍變，便會引起諧振此時對應的頻率即為共振頻率圖5（a）、(b)為1號樣品在1.15THz處交替變換的電場分布圖，從圖5我們得到平行于y軸方向的矩形條末端電場很強，電場方向相反；靠近中心部分電場較弱，幾乎可以忽略，平行于x軸方向的

10、矩形條電場同樣很弱。這是透射譜中透過率最低的頻率處所對應的電場分布圖。圖5 為1號樣品在1.15THz處交替變換的電場分布圖圖6 為1號樣品在2.0THz處交替變換的電場分布圖圖6（a）、(b)為1號樣品在2.0THz處交替變換的電場分布圖，這是透射譜中透過率最高的頻率處所對應的電場分布圖。從圖6我們得到與圖5完全不同，平行于y軸方向矩形條、平行于x軸方向的矩形條，末端電場都很強且強弱相同、方向相同；十字形結(jié)構(gòu)的中心部分也存在電場，且變化相同.圖5、圖6直觀的給出了亞波長十字形陣列結(jié)構(gòu)在THz透射譜中，選擇性的阻止不同頻率THz波的內(nèi)部電場分布圖，這對我們分析亞波長結(jié)構(gòu)的濾波機理具有很大的指導

11、意義。在頻率為1.15THz的THz光照射到金屬線上，相當于電磁場作用在金屬線上，如圖5所示，只在垂直于電場方向的矩形金屬線上激發(fā)出瞬態(tài)電流，這主要是由于入射電場相當于TE偏振模式，平行于該偏振模式（如x軸方向的矩形金屬線）幾乎不會引起電子運動的共振，導致電場強度很弱，相應在該頻率處的透過率很低；在2.0THz處，如圖6所示，在垂直于電場方向、平行于電場方向的矩形金屬線中均有電子運動，這很好地解釋了該結(jié)構(gòu)在該頻率處透過率最大，這說明了亞波長陣列結(jié)構(gòu)的透射增強是由入射光的頻率與金屬薄膜前后表面激發(fā)的表面等離子體的共振耦合共同決定。在頻率2.0THz的入射電磁波接近這種特定尺度的固有頻率，這時便會

12、便會引起諧振，使電場分布在整個十字形結(jié)構(gòu)中，導致該頻率處的THz透過率很高.理論模擬為我們很好地理解透射特性提供了依據(jù).5.總 結(jié)本文通過數(shù)值模擬和實驗兩方面，研究了十字形陣列結(jié)構(gòu)的太赫茲透射光譜特性.當十字形陣列結(jié)構(gòu)的尺度一定時，隨著偏振角度的改變，透射凹陷所在的頻率位置幾乎不發(fā)生改變，文中給出了透射譜的相位調(diào)制圖，有組于我們更好的理解透射譜的機理.在研究過程中理論模擬為實驗提供了很好的指導價值，我們給出了透射凹陷所在頻率1.15THz處及最大透過率2.0THz的電場分布圖很好的說明了，入射光的頻率與金屬薄膜前后表面激發(fā)的表面等離子體的共振耦合共同決定了該結(jié)構(gòu)在不同偏振角度下透過率的大小.理

13、論模擬和實驗得到了很好的吻合，這為太赫茲波段亞波長光學濾波器件的進一步研究提供很好的理論指導意義. 參考文獻1C.A. Schmuttenmaer 2004 Chemical Reviews 104 1779 2 Huang S.Y., Ashworth P.C., Kan K.W.C. et al. 2009 Optics Express 17 38543 Chen H.T., Padilla W.J., Zide J.M.O.2006 Nature 444 600 4 Meng T H, Zhang G Z, Zhang C L 2008 Acta Phys. Sin. 57 3852 (

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17、ahertz unbiased narrowband through cross structures* Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. Corresponding author. E-mail: guozhong-zhao *Bo Wei Guo-zhong Zhao Li-ming Liu Sheng-bo Zhang Gao-Hui Zhang (Key Lab of THz Optoelectronics Ministry of Education, Be

18、ijing Key Laboratory for THz Spectroscopy and Imaging, Department of Physics，Capital Normal University，Beijing，100048，China)Abstract In this paper, cross-shaped array structure has been studied by numerical simulation and experimental aspects, the result confirmed the structure with Terahertz unbiased narrowband filter characteristic.Studies have shown that there are most of terahertz wave can go through cross-shaped array structure ,however THz wave of range certain frequencies is restrained at the certain value of the cross-s