智能太赫茲器件：可光控的超材料透明效應

2020-10-01 江蘇雷射產業創新聯盟

來自：鄭鑫 愛光學

Hao Sun, Yuhua Tang, Yuze Hu, Jie You, Hengzhu Liu, Xin Zheng. Active formatting modulation of electromagnetically induced transparency in metamaterials[J]. Chinese Optics Letters, 2020, 18(9): 092402

太赫茲（THz）波為介於微波與紅外光之間、頻率位於 0.1 THz 到 10 THz 之間的電磁波，具有穿透性強和大帶寬等特點。開發調製範圍大、速度快的太赫茲元器件對促進太赫茲技術的發展具有十分重要的意義。

在光與物質相互作用中，當光足夠強且同時滿足其他條件時，介質的折射率有可能為零，即實現介質的完全透明，該現象被稱為電磁感應透明（EIT）。

太赫茲超材料中的類電磁感應透明(EIT)效應也是一種對太赫茲電磁場調製實現的特殊電磁現象。超材料中存在的超輻射(亮模式)和亞輻射(暗模式)模式能夠發生強烈的幹涉，從而形成高Q值的透明窗口，使穿透過的電磁波在一定的頻譜範圍內具有高透明、低損耗、強色散的傳播特性。相較於傳統EIT，太赫茲類EIT效應在慢光技術、光存儲、生物傳感等領域有廣泛的應用。

迄今為止，大部分的超材料在加工完成後無法對電磁波的調製特性進行調整。然而，包括自由空間光通信、深度傳感在內的眾多應用，對超材料類電磁感應透明進行多樣化的動態調控都有著迫切的需求。

(a) 變泵浦功率條件下實驗測量超材料器件得到的透射光譜。(b)類 EIT效應主動形成過程的偽彩色圖。

針對上述問題，國防科技大學的孫豪、胡瑜澤和唐玉華研究員等人在Chinese Optics Letters第18卷第9期發表的工作中通過引入主動可控材料，展示了太赫茲頻域內超材料類 EIT 效應的主動形成過程，為研製高性能光控太赫茲功能器件提供了可行方案（H. Sun, et al., Active Formatting Modulation of Electromagnetically Induced Transparency in Metamaterials）。

在此超材料的設計中，切割線諧振器（SCW）與開環諧振器（SRR）分別實現了亮模式與暗模式的電磁場諧振，而兩種模式的幹涉實現了類 EIT 效應。通過將矽半導體層嵌入到SCW 中，實現了對亮模式的主動光控，進而成功實現了類 EIT 效應的主動形成過程。

實驗結果表明，隨著波長為 800 nm 的泵浦光的引入，原本 0.87 THz 處的透射谷受到了抑制。隨著泵浦光功率的增加，更多激發出的光生載流子將 SCW 導通，亮模式及其與暗模式之間的幹涉得以實現，並在 0.89 THz 處實現了類EIT 透明窗口，並伴隨顯著的慢光效應。使用光泵浦太赫茲探測技術研究該現象的動力學過程，類 EIT 現象的主動形成過程能夠在皮秒時間尺度內完成。

後續的工作可以進一步探究類 EIT 效應的各向異性的形成過程與抑制過程的主動調製。使用超材料實現對類 EIT 效應的主動調控不僅僅局限於太赫茲範圍，對於從紅外到微波的光學應用，譬如多波段傳感、超寬帶無線通信以及非線性光學等也具有重要借鑑意義。

國防科技創新研究院的鄭鑫副研究員認為，相比之前的工作主要關注類 EIT效應的抑制過程，該工作首次展示了類 EIT效應的主動形成過程，對於無線光通信的發展具有很大意義。

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Zhengyang Bai, Qi Zhang, Guoxiang Huang. Nonlinear polaritons in metamaterials with plasmon-induced transparency [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2019, 17(1): 012501

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