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基于石墨烯调控布鲁斯特角— 实现超广谱太赫兹光波调制器

2019-02-28

太赫兹光波是一种介于远红外光与微波之间的电磁波。由于其特殊的波长和频率,太赫兹光波可以用于特殊成像(如安检仪),无损生物检测,短程通讯等领域。太赫兹调制器,及用于调制光波强度或者相位的动态器件,是重要的基本光学元件。它必须满足高调制深度,低功耗,广谱等要求。在以往的太赫兹调制器中,通常总是难以同时满足这些要求。譬如基于电磁共振结构的器件(如超材料),可以达到高调制深度,但是其只能用于某个特殊频率波段,不能实现广谱多频段。香港中文大学电子系许建斌与Emma Pickwell-Mac Pherson课题组合作提出了基于石墨烯和石英界面太赫兹布鲁斯特反射的太赫兹调制器,实现了高调制深度(99.5%)和广谱(0.2THz-1.6THz)特性。该研究成果近日发表在最新一期的《自然×通讯》(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-018-07367-8)期刊上。

早在1815年,英国著名科学家David Brewster就提出了p-偏振光在特定的角度入射到介质表面时,可以实现零(无)反射。这个角度被定义为布鲁斯特角。许建斌教授与其课题组的陈泽峰博士等提出通过改变栅压调控石墨烯电导,进而可以实现可调制的布鲁斯特角。如果太赫兹光波以石英的布鲁斯特角入射到器件,那么就可以实现太赫兹反射波由零反射到有限反射的变化,从而实现高调制深度。此原理与频率无关,也就是说可以实现一个超广谱多频段的器件。

图一

作者在文章中首先展示了利用石墨烯调控布鲁斯特角的概念。如图1所示,器件由石英,TiOx,Al2O3,和石墨烯叠加排列制备而成。其中TiOx在此作为栅极电极,因为它具有适和的电导,同时其在太赫兹波段呈透明性,不影响太赫兹光波反射。Al2O3在此作为栅极绝缘介质。通过施加栅压,此叠层结构的布鲁斯特角可以从65度连续调制到73度。如图2所示,如果以65度作为器件的入射角,由此可以实现高调制深度的太赫兹波强度调制器。如图3所示,如果以68度作为入射角,则可以作为相位调制器。

图二


图三

此外该个器件是固态器件,理论上可以实现高速调制。在此研究中作者展示了其调制深度的频率可以达到10KHz。“理论上可以实现更快的调制频率,这取决器件的尺寸大小。因为器件面积的大小决定了其RC充放电时间。现有器件尺寸是在厘米级,其调制频率只能达到10KHz左右,而进一步缩小器件面积,其就可望达到MHz 量级。” 陈泽峰博士解释道。

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