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基于相变材料的可调谐滤波开关张文琪,汪剑波(长春理工大学 物理学院,长春1 3 0 0 2 2)摘 要:基于相变材料G exS byT ez(G S T)可在非晶态、晶态及二者间的任意相态中切换,使本身的电磁属性发生显著变化。将这一独特的相变特性G S T与超表面结合,设计了一种可用于红外波段的宽带滤波开关,并计算了G S T不同结晶状态下的透射强度,实现了G S T相变前后宽带滤波开关的调制深度大于7 0.8%。研究结果表明,通过调节G S T的晶化率,可实现开关位置的可调谐,所设计开关覆盖的宽带滤波范围为2.0 5 44.7 5 7 m,且对小于3 0 的小角度入射不敏感。关键词:超表面;相变材料;晶化率;宽带;红外中图分类号:T B 3 4;T N 7 1 3文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 5 0 3收稿日期:2 0 2 2 1 1 2 3;修回日期:2 0 2 3 0 1 0 1基金项目:吉林省教育厅科学技术研究基金资助项目(J J KH 2 0 2 2 0 7 2 4)通信作者:汪剑波(1 9 7 8-),男,吉林长春人,副教授,博士,主要从事人工电磁材料的理论与应用研究。E-m a i l:w a n g j i a n b o 1 2 6.c o mT u n a b l e F i l t e r S w i t c h B a s e d o n P h a s e C h a n g e M a t e r i a l sZ HANG W e n q i WANG J i a n b o C o l l e g e o f P h y s i c s C h a n g c h u n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t h e u n i q u e p h a s e t r a n s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f G exS byT ez G S T m a t e r i a l w h i c h c a n s w i t c h b e t w e e n a m o r p h o u s c r y s t a l l i n e a n d a n y p h a s e s t a t e b e t w e e n t h e m r e s u l t i n g i n s i g n i f i c a n t c h a n g e s i n i t s e l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e s A f i l t e r s w i t c h t h a t c a n b e u s e d i n t h e i n f r a r e d b a n d w a s d e s i g n e d b y c o m b i n i n g G S T w i t h m e t a s u r f a c e s T h e t r a n s m i s s i v i t y o f G S T i n d i f f e r e n t c r y s t a l s t a t e s w a s c a l c u l a t e d a c h i e v i n g a b r o a d b a n d s w i t c h i n g f i l t e r i n g e f f e c t w i t h a n a b s o l u t e c h a n g e o f o v e r 7 0 8%b e f o r e a n d a f t e r t h e p h a s e c h a n g e T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e t u n a b l e s w i t c h p o s i t i o n s c a n b e a c h i e v e d b y a d j u s t i n g t h e c r y s t a l l i z a t i o n r a t e o f G S T T h e d e s i g n e d s w i t c h c o v e r s a b r o a d b a n d f i l t e r i n g r a n g e f r o m 2 0 5 4 m t o 4 7 5 7 m a n d i s i n s e n s i t i v e t o s m a l l i n c i d e n c e a n g l e s 3 0 K e y w o r d s m e t a s u r f a c e p h a s e c h a n g e m a t e r i a l s c r y s t a l l i z a t i o n f r a c t i o n b r o a d b a n d i n f r a r e d 超表面(M e t a s u r f a c e)是2 1世纪新出现的一种新型人工电磁材料,由于具备非自然的、独特的电磁特性(如负折射率、负介电常数及负磁导率等等),突破了传统光学器件的体积大、不易集成及难以加工等诸多限制,近年来备受国内外研究人员的关注。超表面是由亚波长尺寸的结构单元周期性或非周期性排布构成的2维平面结构,具有平面化、小型化、损耗低及易制备的优点。超表面通过对各个单元的1-305020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3排列,可实现对电磁波的调控,产生巨大的应用潜力,如异常折射/反射1、偏振转换2、光学透镜34及涡旋光5等。然而,超表面一旦被制备完成,性能就受到了限制。为得到能主动调控的超表面,近年来提出了几种主要的方法,包括光6、电7、热8、化学9及机械1 0等方法。其中,使用相变材料的热调谐超表面是最常用的方法。相变材料能快速地从一种状态切换到另一种电磁属性完全不同的状态,且这个过程是可逆的。与传统的超表面通过改变单元结构尺寸来改变性能不同,相变材料与超表面结合能通过改变相变材料本身的属性实现整体性能的改变,使超表面具备可调谐性,实现对电磁波的主动调控。其中,锗锑碲化合物(G exS byT ez,G S T)1 1是最常见的一种相变材料,G S T加热1 2(激光脉冲照射1 3或外加电压1 1)时会从非晶态(a m o r p h o u s)转换成晶态(c r y s t a l l i n e),且一旦相变完成,即使撤去外部激励也能保持相态不变。因此,通常将G S T材料与超表面结合形成可调谐超表面。G S T在红外波段具有更加显著的电磁变化特性,所 以 在 红 外 波 段 可 有 更 好 的 应 用1 4。T i t t l等1 5展示了一种以G S T薄膜作为介质层,金属A l作为反射层和金属结构层的金属 介质 金属(m e t a ld i e l e c t r i c m e t a l,MDM)构型超表面,通过直接加热产生相变的方式实现了超表面在中红外波段反射率的可调控。P e t r o n i j e v i c等1 2提出了一个全光开关,并优化工作在波长为1.5 5 m时,使G S T晶态透射率最小值与非晶态透射率的最大值发生在同一波长上,且对比度超过1 0。G u o等1 6报道了一种具有G S T的MDM有源吸收器,在6.2 m处,G S T为非晶态时透过率为1,晶态时透过率为0,实现了截然不同的滤光功能。然而,过往基于G S T的可调超表面大多是在某一波长处得到高对比度的滤波效果,对宽带滤波和调节带宽的研究较少。本文提出了一种由G S T贴片阵列构成的宽带滤波开关,计算并分析了超表面相变前后的透射谱及电场分布。同时,通过调节相变材料G S T的结晶程度,实现对透射强度的调控。1理论研究1.1传输矩阵原理从麦克斯韦方程组出发,通过矩阵计算就能得到电磁波在介质中的传输特性,即反射、透射及吸收等。电磁波在双层介质中的传输如图1所示。图1电磁波在双层介质中的传输F i g.1 E l e c t r o m a g n e t i c w a v e s p r o p a g a t i o ni n a d o u b l e-l a y e r m e d i a设该双层介质处于真空环境中,在每个界面处都可通过边界条件得到电场或磁场的关系式,从而得到该层的传输矩阵。介质层1和介质层2中电磁波的传输矩阵可表示为M1=c o s 1-i s i n 1p1-ip1s i n 1c o s 1 (1)M2=c o s 2-i s i n 2p2-ip2s i n 2c o s 2 (2)其中,1,2为相位差,表示为1=2 n1d1c o s 1,2=2 n2d2c o s 2(3)其中:n1,n2分别为介质1、介质2的折射率;1,2分别为电磁波在介质层1和介质层2的入射角;d1,d2分别为介质层1和介质层2的厚度;为电磁波的波长;对TM(横磁)波,p1=c o s 1/n1,p2=c o s 2/n2;对T E(横电)波,p1=c o s 1n1,p2=c o s 2n2,因此,双层介质的传输矩阵可表示为1 7M=M1M2=m1 1m1 2m2 1m2 2(4)其中,m1 1=c o s 1c o s 2-p2p1s i n 1s i n 2;m1 2=-i s i n 1c o s 2p1-i s i n 2c o s 1p2m2 1=-ip1s i n 1c o s2-ip2s i n 2c o s1m2 2=c o s 1c o s 2-p2p1s i n 1s i n 2 由式(4)可得到整体结构的反射率R=r2,透射率T=t2,其中,r,t分别为r=m1 1+m1 2p0 p0-m2 1-m2 2p0m1 1+m1 2p0 p0+m2 1+m2 2p0(5)2-305020第1 4卷现 代 应 用 物 理t=2p0m1 1+m1 2p0 p0+m2 1+m2 2p0(6)其中:p0=c o s 0/n0,0为电磁波在真空中的入射角,n0为真空折射率。1.2等效介质理论利用上述矩阵原理,可计算平面膜层结构,但由于不能直接得到更复杂结构超表面的电磁参数,需采用其他理论模型分析。等效介质理论能将复杂结构的电磁响应特性用等效介电参数来描述,常用S参数反演法推算。超表面结构及等效均匀介质中的电磁波传输如图2所示。图2超表面结构及等效均匀介质中的电磁波传输F i g.2 E l e c t r o m a g n e t i c w a v e p r o p a g a t i o n i n m e t a s u r f a c es t r u c t u r e a n d e q u i v a l e n t h o m o g e n e o u s m e d i u m电磁波入射到超表面结构可等效为入射到厚度为d的均匀介质中,S参数为折射率n与均匀介质阻抗Z的函数,表示为S1 1=r(1-ei 2n k0d)1-r2ei 2n k0d(7)S2 1=1-r21-r2ei 2n k0dein k0d(8)其中:r=Z-1Z+1;k0为真空中的波数;d为整个等效介质的厚度。由式(7)和式(8)可得到均匀材料阻抗Z和折射率n,表示为Z=1+S1 1 2-S22 11-S1 1 2-S22 1(9)ein k0d=S2 11-r S1 1(1 0)n=1k0dI m(l nS2 11-r S1 1)+2q-iR e(l nS2 11-r S1 1)(1 1)其中,q与等效介质厚度和波长有关参数,表示为q=i n t(2d/)。最后,通过e f f=n Z,e f f=n/Z可得到等效介电常数和等效磁导率。2设计与结果图3为红外滤波开关的结构示意图。该结构中基底材料选择相对介电常数为2.2 5的S i O2,周期L为1.2 m,顶层为周期排列的G S T圆柱体阵列,半径R为0.3 4 m,厚度t为0.6 2 m。图3红外滤波开关的结构示意图F i g.3 S t r u c t u r e d i a g r a m o f i n f r a r e d f i l t e r s w i t c h可从实验数据中获得晶态和非晶态下G S T材料的介电常数,G S T材料的介电常数随波长的变化关系如图4所示1 4。图4 G S T材料的介电常数随波长的变化关系1 4F i g.4 P e r m i t t i v i t y o f G S T m a t e r i a l v s.w a v e l e n g t h 基于时域有限差分法对图3所示结构进行仿真,设置电磁波沿z轴方向入射,沿x和y方向设置为周期边界条件(u n i t c e l l),仿真得到超表面在红外波段中的35 m波段范围内的透射率。对图3所示的结构进行仿真计算,得到超表面的透射率随波长的变化关系,如图5所示。由图5可见,当G S T为非晶态时,超表面在3 5 m范围内显示为高透射带;随着G S T由非晶态转换为晶态,在3.5 7 4 m和4.3 5 5 m处有2个共振,在这2个共振凹陷之间完美地形成了传输的阻带,阻带内透射率明显变小。这是由于G S T在晶态时的消光系数k明显变大,产生了较大的谐振衰减。3-305020 张文琪 等:基于相变材料的可调谐滤波开关第2期图5超表面的透射率随波长的变化关系F i g.5 T r a n s m i s s i v i t y o f m e t a s u r f a c e v s.w a v e l e n g t h对超表面在G S T相变前后的调节效果,引入绝对变化量,调制深度(m o d u l a t i o n d e p t h,MD)。MD是评价光开关调节效果的重要指标之一,用于衡量“开”“关”状态下电磁波透射率的绝对变化量,MD的值越大,开关作用越显著。MD可表示为MD=Ta-Tc(1 2)其中:Ta为非晶态下G S T材料的透射率;Tc为晶态下G S T材料的透射率。当G S T材料为晶态时,超表面结构在3.4 7 24.6 2 1 m波段范围内(透射率小于0.1)的带宽为1.1 4 9 m,在该波段内的调制深度大于7 0.8%,实现了宽带开关的滤波性能。即,G S T材料为非晶态时,超表面表现为通带,G S T材料为晶态时,超表面表现为阻带,且得到了较好的调制深度。相变材料G S T的相态可通过施加固定的加热温度,控制加热时间进行连续调节1 8。为描述G S T处于中间相态时的有效介电常数,可使用L o r e n t z-L o r e n t z理论1 9获得,有效介电常数可表示为e f f -1e f f +2=mc G S T -1c G S T +2+1-m a G S T -1a G S T +2(1 3)其中:a G S T和c G S T分别为非晶态和晶态下G S T的有效介电常数;m为晶化率,表征相变材料G S T的相变程度2 0,范围为0(非晶态)1(晶态)。式(1 3)可计算 出G S T在 任 一 晶 化 率m下 的 有 效 介 电常数。为研究中间相变状态的滤波情况及工作波段变化情况,本文选取了6个中间相态进行仿真,m分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,根据式(1 3)分别计算各个晶化率下的有效介电常数,并仿真得到m不同时,超表面的透射率随波长的变化关系,如图6所示。(a)m=0(b)m=0.2(c)m=0.4(d)m=0.64-305020第1 4卷现 代 应 用 物 理(e)m=0.8(f)m=1图6m不同时,超表面的透射率随波长的变化关系F i g.6 T r a n s m i s s i o n o f m e t a s u r f a c e v s.w a v e l e n g t h w i t h d i f f e r e n t m由图6可见,m从0增加到1的过程中,工作波段(低透射带)逐渐红移,且带宽逐渐增大,低透射带覆盖了2.0 5 44.7 5 7 m的宽带波段范围。在25 m波段中,低透射带为阻带,代表“关”的状态;高透射带为通带,代表“开”的状态,通过调节G S T的晶化率,“开”“关”的位置发生大幅度的变化,即可在该波段上的任一波长处得到“开”“关”的调节效果,实现可调谐的滤波开关。为进一步分析透射谱的物理机制,计算了超表面在不同截面下的电场分布,如图7所示。(a)A t x-s e c t i o n,=2.2 5 4 m,m=0(b)A t z-s e c t i o n,=2.2 5 4 m,m=0(c)A t x-s e c t i o n,=3.5 7 4 m,m=1(d)A t z-s e c t i o n,=3.5 7 4 m,m=1图7超表面不同截面下的电场分布F i g.7 E l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n tc r o s s s e c t i o n s o f m e t a s u r f a c e由图7可见,m为0,1时,显示出具有相似特征的电场分布,充分证明它们是由同一类型的共振引起的;当m=1时,由于晶态下的G S T要比非晶态下的损耗大得多,所以电场强度明显变小。在入射波的照射下,激发了M i e共振(磁共振),导致高折射率的介质谐振腔和电磁波之间产生强耦合,表现为明显的环型电场,类似于磁偶极子,即谐振开关激发了一阶M i e共振。在实际工程应用中,电磁波可沿任意方向入射5-305020 张文琪 等:基于相变材料的可调谐滤波开关第2期到物体,因此,有必要研究斜入射角度下超表面的滤波特性。图8为入射角不同时,超表面的透射率随波长的变化关系。图8入射角不同时,超表面的透射率随波长的变化关系F i g.8 T r a n s m i s s i o n o f m e t a s u r f a c e v s.w a v e l e n g t h w i t h d i f f e r e n t i n c i d e n t a n g l e s 由图8可见,当入射角小于3 0 时,随着入射角逐渐增大,晶态下G S T的透射率没有明显变化;当入射角大于3 0 时,2个谐振波长之间谐振峰的峰值逐渐发生变化,调制深度变小。为在实际应用中实现更明显的“开”“关”作用,入射角保持在0 3 0 最合适。另外也研究了图3中周期结构主要尺寸对超表面红外开关的性能影响。图9为G S T贴片厚度t、贴片半径R及单元周期L对超表面透射率的影响。由图9可见,t和R的增大使工作波段整体向更高的波长处移动,2个谐振波长之间谐振峰的峰值逐渐降低,且发生红移,表明调制深度在变大,同时前者使带宽略有减小,后者使带宽增大。这是由于随着G S T尺寸的增大,一方面,超表面整体结构的等效介电常数变大,导致谐振波长红移;另一方面,G S T之间的近场耦合作用变强,透射率也发生变化。而单元周期L只改变了调制深度,在一定范围内,L的值越小调制深度越大。(a)t(b)R(c)L图9 G S T贴片厚度、贴片半径及单元周期对超表面透射率的影响F i g.9 E f f e c t o f t,R,a n d L o n t h e t r a n s m i s s i v i t y o f m e t a s u r f a c e3结论利用相变材料G S T在晶态和非晶态下介电常数的显著变化,设计了红外范围内的宽带滤波开关,并计算了G S T不同结晶状态下的透射率。研究结果表明,通过调节G S T的晶化率,可实现开关位置的可 调 谐,所 设 计 的 开 关 覆 盖 了 从2.0 5 44.7 5 7 m的工作范围,且对小于3 0 的小角度入射不敏感。参考文献 1 Z HAO T YAN G Z C T I AN W e t a l D e e p-s u b w a v e l e n g t h e l a s t i c m e t a s u r f a c e w i t h f o r c e-m o m e n t r e s o n a t o r s f o r a b n o r m a l l y r e f l e c t i n g f l e x u r a l w a v e s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M e c h a n i c a l S c i e n c e s 2 0 2 2 2 2 1 1 0 7 1 9 3 2 S A R K A R S G U P T A B M u l t i b a n d u l t r a t h i n c h i r a l m e t a s u r f a c e f o r p o l a r i z a t i o n c o n v e r s i o n s y mm e t r i c a n d a s y mm e t r i c t r a n s m i s s i o n J A E U-I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f E l e c t r o n i c s a n d C o mm u n i c a t i o n s 2 0 2 1 1 4 2 1 5 4 0 0 9 6-305020第1 4卷现 代 应 用 物 理 3 Z HAN G X Y GUAN C Y WAN G K D e t a l M u l t i-f o c u s o p t i c a l f i b e r l e n s b a s e d o n a l l-d i e l e c t r i c m e t a s u r f a c e J C h i n e s e O p t i c s L e t t e r s 2 0 2 1 1 9 5 0 5 0 6 0 1 4 L I M T H S E O C S C HOO H D e s i g n o f a m e t a s u r f a c e l e n s t o a d j u s t t h e f o c a l l e n g t h f o r n e a r-f i e l d b e a m f o c u s i n g J T h e J o u r n a l o f K o r e a n I n s t i t u t e o f E l e c t r o m a g n e t i c E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e 2 0 2 1 3 2 7 6 1 0 6 1 5 5 J I AN G Q B AO Y J L I J e t a l B i-c h a n n e l n e a r-a n d f a r-f i e l d o p t i c a l v o r t e x g e n e r a t o r b a s e d o n a s i n g l e p l a s m o n i c m e t a s u r f a c e J P h o t o n i c s R e s e a r c h 2 0 2 0 8 6 9 8 6 9 9 4 6 L I R J L I U H X XU P e t a l L i g h t-c o n t r o l l e d m e t a s u r f a c e w i t h a c o n t r o l l a b l e r a n g e o f r e f l e c t i o n p h a s e m o d u l a t i o n J J P h y s D A p p l P h y s 2 0 2 2 5 5 2 2 2 2 5 3 0 2 7 WON G A M H E L E F THE R I A D E S G V A c t i v e H u y g e n s b o x A r b i t r a r y e l e c t r o m a g n e t i c w a v e g e n e r a t i o n w i t h a n e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d m e t a s u r f a c e J I E E E T r a n s A n t e n n a s P r o p a g 2 0 2 0 6 9 3 1 4 5 5 1 4 6 8 8 L EW I T B U T A K O V N A S C HU L L E R J A T h e r m a l t u n i n g c a p a b i l i t i e s o f s e m i c o n d u c t o r m e t a s u r f a c e r e s o n a t o r s J N a n o p h o t o n i c s 2 0 1 9 8 2 3 3 1 3 3 8 9 D UAN X Y KAM I N S L I U N D y n a m i c p l a s m o n i c c o l o u r d i s p l a y J N a t u r e C o mm u n i c a t i o n s 2 0 1 7 8 1 1 4 6 0 6 1 0 L I M HU Y C HE N Q L e t a l B i a n i s o t r o p i c o r i g a m i m e t a s u r f a c e s f o r m e c h a n i c a l l y c o n t r o l l e d a s y mm e t r i c r a d i a t i o n J N e w J P h y s 2 0 2 1 2 3 8 0 8 5 0 0 2 1 1 WUT T I G M B HA S KA RAN H T AU B N E R T P h a s e-c h a n g e m a t e r i a l s f o r n o n-v o l a t i l e p h o t o n i c a p p l i c a t i o n s J N a t u r e P h o t o n i c s 2 0 1 7 1 1 8 4 6 5 4 7 6 1 2 P E T RON I J E V I C E S I B I L I A C A l l-o p t i c a l t u n i n g o f E I T-l i k e d i e l e c t r i c m e t a s u r f a c e s b y m e a n s o f c h a l c o g e n i d e p h a s e c h a n g e m a t e r i a l s J O p t E x p r e s s 2 0 1 6 2 4 2 6 3 0 4 1 13 0 4 2 0 1 3 D ON G W L Q I U Y M YAN G J e t a l W i d e b a n d a b s o r b e r s i n t h e v i s i b l e w i t h u l t r a t h i n p l a s m o n i c-p h a s e c h a n g e m a t e r i a l n a n o g r a t i n g s J J P h y s C h e m C 2 0 1 6 1 2 0 2 3 1 2 7 1 31 2 7 2 2 1 4 M I C HE L A K U C H I G R I N D N MA T W W e t a l U s i n g l o w-l o s s p h a s e-c h a n g e m a t e r i a l s f o r m i d-i n f r a r e d a n t e n n a r e s o n a n c e t u n i n g J N a n o l e t t 2 0 1 3 1 3 8 3 4 7 03 4 7 5 1 5 T I T T L A MA I P T a u b e r t R e t a l P a l l a d i u m-b a s e d p e r f e c t p l a s m o n i c a b s o r b e r i n t h e v i s i b l e a n d i t s a p p l i c a t i o n t o h y d r o g e n s e n s i n g J N a n o L e t t e r s 2 0 1 1 1 1 1 0 4 3 6 6 4 3 6 9 1 6 GUO Z Y YAN G X S HE N F e t a l A c t i v e-t u n i n g a n d p o l a r i z a t i o n-i n d e p e n d e n t a b s o r b e r a n d s e n s o r i n t h e i n f r a r e d r e g i o n b a s e d o n t h e p h a s e c h a n g e m a t e r i a l o f G e 2 S b 2 T e 5 G S T J S c i e n t i f i c R e p o r t s 2 0 1 8 8 1 1 2 4 3 3 1 7 Q I L M Y A N G Z Q L A N F e t a l P r o p e r t i e s o f o b l i q u e l y i n c i d e n t e l e c t r o m a g n e t i c w a v e i n o n e-d i m e n s i o n a l m a g n e t i z e d p l a s m a p h o t o n i c c r y s t a l s J P h y s P l a s m a s 2 0 1 0 1 7 4 0 4 2 5 0 1 1 8 CHE N Y G KAO T S NG B e t a l H y b r i d p h a s e-c h a n g e p l a s m o n i c c r y s t a l s f o r a c t i v e t u n i n g o f l a t t i c e r e s o n a n c e s J O p t E x p r e s s 2 0 1 3 2 1 1 1 1 3 6 9 1 1 3 6 9 8 1 9 A S P N E S D E L o c a l-f i e l d e f f e c t s a n d e f f e c t i v e-m e d i u m t h e o r y A m i c r o s c o p i c p e r s p e c t i v e J Am e r i c a n J o u r n a l o f P h y s i c s 1 9 8 2 5 0 8 7 0 4 7 0 9 2 0 CHU C H T S E N G M L C HE N J e t a l A c t i v e d i e l e c t r i c m e t a s u r f a c e b a s e d o n p h a s e-c h a n g e m e d i u m J L a s e r&P h o t o n i c s R e v i e w s 2 0 1 6 1 0 6 9 8 6 9 9 4 7-305020 张文琪 等:基于相变材料的可调谐滤波开关第2期