太赫兹超材料：从有源超器件到拓扑光子晶体

主动超构材料（active metamaterials）是推动超构材料实用化的重要途径之一。近日，南方科技大学丛龙庆团队，应邀撰写了题为“Terahertz Metamaterials for Free-Space and on-Chip Applications: From Active Metadevices to Topological Photonic Crystals”的综述性文章，发表在2022年Advanced Devices & Instrumentation期刊上。本文聚焦未来在无线通信、成像、传感领域都极具应用潜力的太赫兹（THz）波段，重点总结基于复合超构材料（hybrid metamaterials）实现主动调制的研究进展，介绍几种基本工作机制、相关器件性能指标、发展概况、技术瓶颈等，为读者了解技术原理、开展相关研究提供参考。目前，主动超构材料的应用主要针对自由空间太赫兹波调制，而片上信息传输将进一步助力器件小型化，提升器件集成度。基于拓扑光子学的太赫兹波导有望解决片上传输效率问题，本文第二部分还重点介绍了当前的热点研究方向——拓扑光子学，分别从基本原理、几种典型的拓扑光子晶体类型、太赫兹应用进展三方面展开。

研究进展

液晶-超构材料复合器件
向列相液晶在可见波段已广泛应用于相位调制，在太赫兹波段的应用价值也非常高。但想要获得足够大的相移，液晶的厚度需要与波长相近，因而增加了调制-恢复时间，这就为太赫兹应用带来挑战。将液晶材料与超构材料结合，可以大大减小液晶厚度、减小驱动电压、提高器件开关速度，并利用超构表面产生一系列功能应用（图1a）。

图1 几种典型的复合超构材料

（a）液晶-超构材料器件；（b）相变材料-超构材料太赫兹主动调控；（c）石墨烯-超构材料太赫兹调控；（d）MEMS-超构材料太赫兹调制器；（e）硅-超构材料全光超快调制器。

相变材料-超构材料器件

利用相变材料（GST、 VO2等）在外界驱动调制下由晶态到无定形态转换的过程带来材料折射率和吸收系数的变化，可以为复合超构材料器件的主动调制带来丰富的应用场景，满足不同的应用需求（图1b）。目前，相变材料的驱动手段多样化，具备各自的优势和劣势。

石墨烯-超构材料器件石墨烯在太赫兹波段的电导率与直流电导率正相关，因此可以通过调制费米能级的方式实现太赫兹波高效、宽带的调制。典型的调制应用包括类二极管光学器件、宽带调相器件、光学记忆器件、非线性器件等。基于电驱动的石墨烯-超构材料器件调制速度仍受限于RC时间；另外，其自身厚度有限，与光相互作用的强度受限，需要依赖于超构材料极强的局域场增强来提升调制深度。MEMS-超构材料器件微机电系统（MEMS）是目前最先进的集成系统的基础部分。基于MEMS成熟的加工工艺和广泛的应用，其技术可以很好地拓展应用于太赫兹波段，典型的应用场景之一是利用静电驱动实现对电磁波偏振态的动态调制（图1d）。将MEMS与超构表面结合还可以实现可编程调制器，有望集成动态偏振态调制、波前偏置、全息显示等复杂的功能于一个器件。但可靠性是MEMS-超构表面阵列面临的一个问题，例如变形分布不均匀、缺陷、悬臂梁无法释放等。

硅-超构材料器件

太赫兹波段主要采用的半导体材料是硅和砷化镓，通过全光调制和电驱动两种模式实现动态调制。全光调制通常是利用激光脉冲激发半导体材料的瞬态载流子，材料载流子浓度的改变对太赫兹波的透/反射率产生调制，通过结合超构表面可实现调幅、偏振分束、辐射角度切换等应用。最大优势是可以实现超快的调制速度，并可实现远程调控。电驱动调制方式通过电注入或耗尽载流子的方式改变材料的载流子浓度，这种方式从器件实用性和集成性的角度往往更有吸引力，但调制速度受限于驱动电路的RC时间。

图2 拓扑光子学和太赫兹应用

（a）拓扑和拓扑不变量；（b）时间反演对称破缺的拓扑光子晶体；（c）基于量子自旋霍尔效应的拓扑光子晶体；（d）基于量子谷霍尔效应的拓扑光子晶体；（e）拓扑光子晶体的太赫兹通信应用。

拓扑光子学

基于拓扑光子学的太赫兹波导具有传输效率高、稳定性好、对大角度偏折不敏感等优势，将助力太赫兹通信应用发展。拓扑光子学应用大多基于光子晶体。本文简述了拓扑光子学基本原理（图2a）、拓扑光子晶体的几种分类(图2b，时间反演对称破缺的拓扑光子晶体)、拓扑不变量的计算，重点针对具备时间反演对称的量子自旋霍尔效应（图2c）和量子谷霍尔效应（图2d）的光子晶体进行介绍。最后，文章总结了目前基于拓扑光子晶体的太赫兹通信应用相关报道（图2e）。

总结与展望

自由空间太赫兹波的主动超构材料涉及的驱动方式包括电、光、热、力等，在应用中具备各自的优、缺点，例如典型的电驱动方式具有很好的集成性，但调制速度往往受限于RC时间；光驱动的调制时间可到飞秒量级，可远程遥控，但集成性受限，调制频率也受到脉冲激光的重复频率限制。针对片上太赫兹应用，结合拓扑光子学和主动调制的方法有望切实推动太赫兹通信应用的发展。利用高阶拓扑光子晶体还有望进一步提升光与物质相互作用，为高功率太赫兹辐射源提供解决方案。

作者简介：

丛龙庆，南方科技大学电子系副教授，研究团队致力于太赫兹光子学研究，探索主动超构材料器件用于自由空间太赫兹波调控，解决太赫兹无线通信、单像素成像、传感等领域的应用问题；研究拓扑光子晶体，用于实现太赫兹片上调制应用。目前承担国家自然科学基金面上项目任务。

论文信息：

https://doi.org/10.34133/2022/9852503

审核编辑 ：李倩