主動超構材料（active metamaterials）是推動超構材料實用化的重要途徑之一。近日，南方科技大學叢龍慶團隊，應邀撰寫了題為“Terahertz Metamaterials for Free-Space and on-Chip Applications: From Active Metadevices to Topological Photonic Crystals”的綜述性文章，發表在2022年Advanced Devices & Instrumentation期刊上。本文聚焦未來在無線通信、成像、傳感領域都極具應用潛力的太赫茲（THz）波段，重點總結基于復合超構材料（hybrid metamaterials）實現主動調制的研究進展，介紹幾種基本工作機制、相關器件性能指標、發展概況、技術瓶頸等，為讀者了解技術原理、開展相關研究提供參考。目前，主動超構材料的應用主要針對自由空間太赫茲波調制，而片上信息傳輸將進一步助力器件小型化，提升器件集成度。基于拓撲光子學的太赫茲波導有望解決片上傳輸效率問題，本文第二部分還重點介紹了當前的熱點研究方向——拓撲光子學，分別從基本原理、幾種典型的拓撲光子晶體類型、太赫茲應用進展三方面展開。

研究進展

液晶-超構材料復合器件
向列相液晶在可見波段已廣泛應用于相位調制，在太赫茲波段的應用價值也非常高。但想要獲得足夠大的相移，液晶的厚度需要與波長相近，因而增加了調制-恢復時間，這就為太赫茲應用帶來挑戰。將液晶材料與超構材料結合，可以大大減小液晶厚度、減小驅動電壓、提高器件開關速度，并利用超構表面產生一系列功能應用（圖1a）。

圖1 幾種典型的復合超構材料

（a）液晶-超構材料器件；（b）相變材料-超構材料太赫茲主動調控；（c）石墨烯-超構材料太赫茲調控；（d）MEMS-超構材料太赫茲調制器；（e）硅-超構材料全光超快調制器。

相變材料-超構材料器件

利用相變材料（GST、 VO2等）在外界驅動調制下由晶態到無定形態轉換的過程帶來材料折射率和吸收系數的變化，可以為復合超構材料器件的主動調制帶來豐富的應用場景，滿足不同的應用需求（圖1b）。目前，相變材料的驅動手段多樣化，具備各自的優勢和劣勢。

石墨烯-超構材料器件石墨烯在太赫茲波段的電導率與直流電導率正相關，因此可以通過調制費米能級的方式實現太赫茲波高效、寬帶的調制。典型的調制應用包括類二極管光學器件、寬帶調相器件、光學記憶器件、非線性器件等。基于電驅動的石墨烯-超構材料器件調制速度仍受限于RC時間；另外，其自身厚度有限，與光相互作用的強度受限，需要依賴于超構材料極強的局域場增強來提升調制深度。MEMS-超構材料器件微機電系統（MEMS）是目前最先進的集成系統的基礎部分。基于MEMS成熟的加工工藝和廣泛的應用，其技術可以很好地拓展應用于太赫茲波段，典型的應用場景之一是利用靜電驅動實現對電磁波偏振態的動態調制（圖1d）。將MEMS與超構表面結合還可以實現可編程調制器，有望集成動態偏振態調制、波前偏置、全息顯示等復雜的功能于一個器件。但可靠性是MEMS-超構表面陣列面臨的一個問題，例如變形分布不均勻、缺陷、懸臂梁無法釋放等。

硅-超構材料器件

太赫茲波段主要采用的半導體材料是硅和砷化鎵，通過全光調制和電驅動兩種模式實現動態調制。全光調制通常是利用激光脈沖激發半導體材料的瞬態載流子，材料載流子濃度的改變對太赫茲波的透/反射率產生調制，通過結合超構表面可實現調幅、偏振分束、輻射角度切換等應用。最大優勢是可以實現超快的調制速度，并可實現遠程調控。電驅動調制方式通過電注入或耗盡載流子的方式改變材料的載流子濃度，這種方式從器件實用性和集成性的角度往往更有吸引力，但調制速度受限于驅動電路的RC時間。

圖2 拓撲光子學和太赫茲應用

（a）拓撲和拓撲不變量；（b）時間反演對稱破缺的拓撲光子晶體；（c）基于量子自旋霍爾效應的拓撲光子晶體；（d）基于量子谷霍爾效應的拓撲光子晶體；（e）拓撲光子晶體的太赫茲通信應用。

拓撲光子學

基于拓撲光子學的太赫茲波導具有傳輸效率高、穩定性好、對大角度偏折不敏感等優勢，將助力太赫茲通信應用發展。拓撲光子學應用大多基于光子晶體。本文簡述了拓撲光子學基本原理（圖2a）、拓撲光子晶體的幾種分類(圖2b，時間反演對稱破缺的拓撲光子晶體)、拓撲不變量的計算，重點針對具備時間反演對稱的量子自旋霍爾效應（圖2c）和量子谷霍爾效應（圖2d）的光子晶體進行介紹。最后，文章總結了目前基于拓撲光子晶體的太赫茲通信應用相關報道（圖2e）。

總結與展望

自由空間太赫茲波的主動超構材料涉及的驅動方式包括電、光、熱、力等，在應用中具備各自的優、缺點，例如典型的電驅動方式具有很好的集成性，但調制速度往往受限于RC時間；光驅動的調制時間可到飛秒量級，可遠程遙控，但集成性受限，調制頻率也受到脈沖激光的重復頻率限制。針對片上太赫茲應用，結合拓撲光子學和主動調制的方法有望切實推動太赫茲通信應用的發展。利用高階拓撲光子晶體還有望進一步提升光與物質相互作用，為高功率太赫茲輻射源提供解決方案。

作者簡介：

叢龍慶，南方科技大學電子系副教授，研究團隊致力于太赫茲光子學研究，探索主動超構材料器件用于自由空間太赫茲波調控，解決太赫茲無線通信、單像素成像、傳感等領域的應用問題；研究拓撲光子晶體，用于實現太赫茲片上調制應用。目前承擔國家自然科學基金面上項目任務。

論文信息：

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

審核編輯 ：李倩