封面|增强型太赫兹空间光调制器：基于石墨烯实现寻址式波前重构

太赫兹波是频段介于红外光和微波之间的电磁波，在生物医学、无损检测、成像及高速无线通信等领域具有广阔的应用前景。当前，缺乏调制器件仍是太赫兹技术发展的瓶颈问题之一。基于可调谐材料的超表面结构为解决这一问题提供了新的方法。其中，石墨烯是一种新型的半导体可调谐材料，由于能带结构和光学性质可以通过外加门电压调控，使其成为一种良好的宽带可调光电子材料。基于石墨烯的有源超表面具有调谐速度快、透射率高、超薄厚度等优点，以及电子带内跃迁带来的其对太赫兹波良好响应，为太赫兹波前控制创造了巨大的应用潜力。

然而，结合石墨烯和金属天线的可调超表面器件仍然面临两个问题。一个是缺乏独立的调谐单元，此类器件大多使用一整片石墨烯，并均匀施加栅极电压进行调谐，无法实现每个单元的独立调制。另一个问题是太赫兹波与有源超表面之间的相互作用仍然较弱。

为解决上述问题，北京理工大学胡滨研究组和首都师范大学张岩研究组合作，设计了一种电控有源太赫兹波空间相位调制器。该器件由10个石墨烯条带形成的5×5阵列电容和双C型金属天线阵列组成的超表面级联而成，通过寻址的方式电控调制石墨烯电容，可以对透射的太赫兹波前进行重构，从而实现对太赫兹波前的独立像素调制；通过设计双C型金属天线阵列结构引入准连续域束缚态（QBIC）模式，增强太赫兹波和超表面的相互作用，从而实现效率的提升。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第7期（Jianzhou Huang, Bin Hu, Guocuo Wang, Zongyuan Wang, Jinlong Li, Juan Liu, and Yan Zhang. BICs-Enhanced Active Terahertz Wavefront Modulator Enabled by Laser-Cut Graphene Ribbons[J]. Photonics Research, (2023), 11(7): 1185）。

该工作将效率提升和太赫兹波前的动态重构这两个功能集成到同一个器件中。由两层结构构成的调制器如图1所示，上层结构是双C型天线阵列的超表面，下层结构是5×5阵列的石墨烯电容器。双C型金属天线阵列与太赫兹波相互作用产生QBIC共振，实现转换效率的增强；石墨烯电容器由两组相互垂直的石墨烯条带组成，通过电寻址的方式，在不同区域实现像素化的电磁响应，进而重构太赫兹波前。

图1 可重构太赫兹波前调制器原理图；（a）结构由双c型金属天线阵列和10个石墨烯条带组成的5×5电容器阵列组成；（b）双C型天线的单元结构俯视图；（c）结构侧视图。

针对石墨烯结合金属天线超表面与太赫兹波作用效率低的问题，研究人员提出了双C型金属天线阵列结构，如图2（a）-（b）所示。该结构利用FW-BIC共振，使入射的x偏振光在结构表面处于局域态，从而增强与超表面的相互作用，实现在不同石墨烯电化学势下转换效率的增强。同时，为了设计一个可重构的太赫兹波前相位调制器，动态的相位调制也是必要的。因此，研究人基于激光切割石墨烯的技术加工了5×5像素化的可重构太赫兹波前调制器，使相位轮廓可以通过切换石墨烯栅极电压模式的方式实现调制，实验结果如图2（c）-（j）所示。在不同电压施加方式下，器件可实现太赫兹波的聚焦，并改变焦距。

图2 （a）双C型天线在不同外径R'时的透过率证明结构引入了QBIC共振模式；（b）f=0.504 THz时，双C型天线和单C型天线在不同石墨烯化学势下的转换效率对比（双C型天线由于引入QBIC转换效率得到了提高）；（c）-（f）可重构调制器在四种石墨烯电压模式下的5×5像素分布图;（g）-（j）四种栅极电压模式下的实验结果。

胡滨教授表示：“太赫兹技术可广泛应用于无线通信、生物医药检测、遥感、环境监测等领域，具有重大的应用价值。这项工作所提出的太赫兹调制器提供了一种有效的策略来灵活地操纵太赫兹波。这为实现高自由度的太赫兹探测和成像，以及高速率的6G通信提供了新的契机。”

该项研究工作获得了北京市自然科学基金-小米创新联合基金（L223031）及国家自然科学基金面上项目（61875010）的资助。