石墨烯太赫兹超表面中等离子诱导透明度的双模开关调制

摘要

我们在由交错带状和条状结构组成的图案化石墨烯超表面中演示了可调谐等离子诱导透明度（PIT）效应。有限差分时域（FDTD）仿真和耦合模理论（CMT）揭示：两个独立栅极电压可选择性抑制左或右透射谷，实现双模开关调制器。该结构同时实现50%吸收和0.7 ps群延迟，凸显其在THz吸收器和慢光器件中的应用前景。详细耦合研究阐明了几何结构的作用，为多功能调制器提供了通用平台。

引言

表面等离子体极化子（SPPs）实现亚波长限域和强近场增强，是集成光子学不可或缺的工具。金属基SPPs受本征损耗限制，而单层石墨烯在中红外和THz波段提供低损耗、可调谐等离子体模式。石墨烯载流子浓度可通过静电栅极调制，无需结构重构即可动态控制其光学响应。

等离子诱导透明度（PIT）源于亮（超辐射）模式与暗（亚辐射）模式的破坏性干涉。石墨烯超表面中已报道单层带状、多层堆叠和混合结构中的PIT。然而，大多数设计仅允许单模调谐（通常通过移费米能级），缺乏透射峰的高效开关切换。

本文提出一种由周期性排列的带状和条状结构组成的石墨烯超表面，位于硅衬底上。两个独立栅极电极分别独立调节带状和条状的费米能级，赋予PIT的双模控制。该设计兼容CVD生长石墨烯和直接转移工艺，确保高产率和低方阻。

方法

超表面单元（图1c）包含石墨烯带状（长6 µm，宽4 µm）和石墨烯条状（长2.9 µm，宽0.8 µm），间距d=0.8 µm，横向位移S=1.55 µm。硅衬底（厚300 nm）提供介质环境。栅极电压Vg1（带状）和Vg2（条状）通过公式调节相应费米能级。实验已实现高达4×10¹⁸ m⁻²载流子浓度（E_f≈1.17 eV）。光学电导率主要由带内项主导。传播常数β由石墨烯支持SPPs色散关系得出（公式7）。我们用FDTD（CST Microwave Studio）求解全波问题，并用CMT（公式13-15）拟合谱线以提取品质因子和耦合系数。

结果与讨论

模拟透射谱（图2a）显示条状单模亮共振（谷≈7.9%）和带状暗模式（峰≈1.0）。共存时，PIT峰因干涉达88.6%。电场分布证实场在带状和条状均定域，解释品质因子增强。

双模开关通过改变Vg1或Vg2实现。固定条状费米能级1.0 eV，扫描带状0.6至1.2 eV导致左谷加深（开→关）并蓝移（≈0.3 THz）。反之，固定带状扫描条状对右谷产生类似效应。开关阈值（透射率=0.3）在两模式下均在0.8–1.0 eV间达到，实现独立控制。

吸收谱（图4）显示即使在低费米能级也有50%峰值吸收，归因于本征损耗增加。载流子浓度升高伴随蓝移。CMT拟合匹配FDTD曲线，确认双振子模型有效性。

石墨烯迁移率从1提至3 m² V⁻¹ s⁻¹使PIT谷变尖锐，3 dB带宽变窄，群延迟升至0.7 ps（图5）。谷处负群延迟指示快光行为。相位响应也随迁移率缩放。

几何调谐（图6）显示耦合距离d主要影响左谷，条状宽度和长度影响品质因子和谱分离。横向位移S在x偏振入射下影响可忽略。

结论

我们证明了独立栅控带状和条状的石墨烯超表面支持可调谐PIT共振，可在两个独立频带实现开关切换。器件同时实现高吸收（≈50%）和显著慢光延迟（0.7 ps）。通过调整几何和载流子迁移率，可定制PIT的谱位、深度和品质，为THz调制器、吸收器和延迟线提供通用平台。