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金属光子晶体与介质光子晶体在带隙与传输性质上存在明显差异，如果选择合适的材料和器件结构，并在外场调控下实现两类光子晶体间的转变，将可以大大扩展器件的功能。本节首先介绍VO 2 材料的相变特性，然后介绍光泵浦下镀VO 2 薄膜的硅光子晶体的传输特性。通过光泵浦，可以在同一器件中实现介质光子晶体、金属光子晶体和表面等离子体阵列，并在三种状态间进行光控转变。
VO 2 是一种具有相变性质的金属氧化物，能在温度 T c = 340K时发生绝缘体-金属相变（Insulator-Metal Transition，IMT）效应 [1] 。其晶格结构从三斜晶系（介质相）转变为四方晶系（金属相），其电导率等电磁参数将伴随着相变过程剧烈变化。除了热激励外，VO 2 的IMT也可由激光或外加电场实现皮秒量级的高速激发。
在THz波段，大量实验证实VO 2 薄膜及其平面人工微结构可以有效地对THz波进行调制。通过热、光、电等方式，可以将VO 2 的电导率改变3~5个数量级（单位：S/m）。介质相VO 2 薄膜在THz波段的介电常数 ε i = 9，可以认为对THz波无损透明。这使得THz波可以低损耗地透过介质相VO 2 薄膜，而发生相变后，THz波无法透过金属相VO 2 薄膜。金属相VO 2 薄膜的介电常数 ε m 和电导率 σ m 遵循式（2.3）~式（2.9）所描述的Drude模型，即其介电性质主要由直流电导率的大小决定，这个值可达2.7×10 5 S/m。因此，金属相VO 2 薄膜在THz波段显示出较强的金属性，但与电导率为10 7 量级的常见金属（如铜、金、银等）相比，其具有较强的欧姆损耗和更大的趋肤深度，不能简单地看作理想金属。
在IMT过程中，VO 2 存在一系列中间态，它们的电导率介于介质相和金属相之间。这些中间态可以解释为介质相和金属相晶格在微观上共存，并分别占有一定比例。VO 2 的宏观介电常数在相变过程中随这一比例的变化可以用有效介质理论模型很好地描述 [2] ：
式中， f 为金属相在整个晶格中占有的体积分数。在温度调控的情况下， f 可由玻耳兹曼分布进行描述：
式中， T c 为相变温度；Δ T 为升温和降温过程的迟滞温度。由式（2.3）、式（2.8）、式（4.1）、式（4.2）可以求得图4.1所示的VO 2 薄膜有效电导率随温度变化的曲线，其中升温过程中的相变温度 T c = 68℃，而降温过程中的相变温度 T c = 62℃，Δ T= 6℃。通过图4.1可以看出，VO 2 的有效电导率 σ eff 可以在10~2.7×10 5 S/m连续变化，电控或光控过程也有类似的电导率变化，这些VO 2 电磁参数将会应用到本节后面的分析中。
图 4.1 VO 2 薄膜有效电导率随温度（加热和降温过程）变化的曲线
相变光子晶体波导的结构示意图如图4.2所示，侧壁镀有VO 2 薄膜的高阻硅光子晶体柱阵列置于PPWG间，中间有线缺陷形成的光子晶体波导结构。前文已阐明当有限高度的光子晶体置于PPWG中时，其会表现出无限柱高的二维光子晶体的能带和传输性质。光子晶体的晶格周期 a= 120μm，半径 r= 38.5μm，柱高为120μm，VO 2 薄膜厚度为1μm，这一几何尺度可以使器件工作在1THz附近。
当VO 2 薄膜处于介质相时，由高阻硅和VO 2 组成的器件将显示出介质光子晶体波导的性质；当VO 2 薄膜处于金属相时，由于VO 2 在THz波段的趋肤深度小于或等于VO 2 的薄膜厚度，因而器件显示出金属相光子晶体波导的性质。这里采用FEM计算不同状态下相变光子晶体的能带结构，采用图4.2（c）所示的沿波导传播方向上的周期性边界条件，入射波偏振方向为TE偏振波（即电场矢量方向沿相变光子晶体柱轴线方向），结果如图4.3所示。对于图4.3（a）所示的介质光子晶体能带结构，图中黄色阴影区对应的模式为波导导模，THz波能在这些频带范围内沿波导传输；其余模式为泄漏模式，泄漏模式可以进入波导但会随着传输迅速泄漏到波导外的空间中。对于图4.3（b）所示的金属光子晶体能带结构，没有任何模式对应的频带为禁带，光不能进入波导，在端口处被全部反射。介质光子晶体波导在1THz附近有两个导模，分别位于0.68~0.8THz和1.02~1.25THz，其他频率均对应泄漏模式，不能支持THz波传输。如图4.3（b）所示，金属光子晶体的第一导模位于0.8~1.45THz，可见在相变前后，相变光子晶体波导的能带结构发生了明显变化。
（a）三维示意图；（b）侧视图；（c）上视图
图 4.2 相变光子晶体波导的结构示意图 [3]
（a）介质相；（b）金属相
图 4.3 不同状态下相变光子晶体的能带结构图 [3]
采用FDTD算法模拟相变光子晶体在不同状态下的THz波传输谱线，如图4.4所示。为了保证模拟精度，FDTD算法的空间最小网格为100nm，约为VO 2 薄膜厚度的1/10。图4.4（a）显示了两个极端情况，即完全的介质相和金属相，它们的通带都分别与图4.3所示的导带范围很好地吻合，并从0.68~0.8THz和1.02~1.25THz大范围地移动到0.8~1.45THz，因此，器件可以实现在0.68~0.8THz、1.02~1.25THz和0.8~1.45THz三个频带上的可控带通滤波。
（a）介质相和金属相传输谱线；（b）由介质相向损耗态转变的过程（σ eff =10~5000S/m）；（c）由损耗态向金属相转变的过程（σ eff =7000~2.7×10 5 S/m）；（d）0.75THz、0.9THz和1.1THz处的透过率随温度升高的变化曲线
图 4.4 不同状态下相变光子晶体的THz波传输谱线 [3]
图4.4（b）和图4.4（c）进一步显示了VO 2 相变过程对器件传输性质的演化规律，整个转变可以分为两个过程。在图4.4（b）所示的第一个过程中，随着VO 2 有效电导率的增加（ σ eff =10~5000S/m），通带透过率开始下降，带宽变窄，对应着相变光子晶体波导由介质相向损耗态转变的过程，它实现了在0.68~0.8THz和1.02~1.25THz频带上的强度调制。当 σ eff 进一步增大（ σ eff =7000~2.7×10 5 S/m）时，器件进入图4.4（c）所示的第二个过程，上述两个通带消失，但同时出现一个新的通带，它的透过率随有效电导率的增大而升高，带宽变宽。当 σ eff = 2.7 × 10 5 S/m时，谱线接近于图4.4（a）所示的理想金属光子晶体的谱线。因此，第二个过程是相变光子晶体波导由损耗态转变到金属相的过程，可以在0.8~1.45THz频带上实现强度调制。在上述两个调制过程中，相变光子晶体的调制深度和滤波谱线形状都明显优于过去报道的超材料调制器，其在1THz附近的调制深度大于90%，工作带宽大于150GHz。
这里以温度调控为例说明器件对不同频率THz波的调制情况。图4.4（d）显示了相变光子晶体在0.75THz、0.9THz、1.1THz处的透过率随温度升高的变化曲线，这些调制过程都能与图4.1所示的有效介质理论模型相吻合。在图4.4（d）中，在65℃处能够清晰地区分上面提到的两个调制过程，但不同THz频段的调制行为又是截然不同的。对于0.75THz及其附近频段，随着温度上升（60~65℃），其透过率从接近100%急剧下降到0，温度超过65℃后依然保持为0；0.9THz及其附近频段却相反，其透过率开始时接近0，当温度超过65℃（65~75℃）后，其透过率逐渐上升到90%以上；而对于1.1THz及其附近频段，随着温度上升，其透过率经历了从95%下降到0（50~65℃）、再从0上升到87%（65~100℃）的过程。这三个频率分别代表了器件在外加激励下的三种典型调制行为：第一个是从透射到损耗；第二个是从损耗到透射；第三个是从透射到损耗再到透射。这种新的调制机制源于VO 2 相变过程中器件光子带隙的剧烈变化。
图4.5为采用FDTD算法模拟的器件在不同频率和状态下的稳态场分布。在关闭状态下，THz波能够耦合到介质光子晶体波导中，然后在传输中泄漏到两边的空间中，如图4.5（a）所示；图4.5（d）所示的THz波不能耦合到金属光子晶体波导中，所有能量都被波导端口反射。在开状态下，图4.5（b）所示的THz波全部约束在金属光子晶体波导中传输；图4.5（c）所示的THz波有部分能量分布在波导两边的介质光子晶体柱中传输。这些稳态场分布也显示出相变光子晶体在介质相和金属相下对THz波具有不同的传输性质。
（a）1THz介质相；（b）1THz金属相；（c）0.75THz介质相；（d）0.75THz金属相
图 4.5 器件在不同频率和状态下的稳态场分布 [3]
没有人工微结构的空白VO 2 薄膜对THz波具有宽带强度调制性质。图4.6（a）显示了不同厚度、不同电导率的VO 2 薄膜的THz透射光谱线。将其与图4.4比较，可以发现相变光子晶体波导结构显著地提高了VO 2 薄膜的调制深度和灵敏度。例如，2000S/m、1μm厚的VO 2 薄膜对THz波的调制深度仅为10%，而镀相同VO 2 薄膜的相变光子晶体波导的调制深度却接近90%，因此在相同激励下，后者将得到更大的调制深度。此外，相比于相变光子晶体波导丰富的调制过程和滤波谱线，空白VO 2 薄膜只有从透过到损耗这一个调制过程。
（a）不同厚度、不同电导率的VO 2 薄膜的THz透射光谱线；（b）不同厚度VO 2 薄膜的相变光子晶体波导的THz透射光谱线，VO 2 电导率均为2.7×10 5 S/m
图 4.6 不同状态下的THz透射光谱线 [3]
为了研究VO 2 薄膜厚度对器件最大调制深度的影响，用FDTD算法模拟了不同VO 2 薄膜厚度的相变光子晶体波导的THz透射光谱线，如图4.6（b）所示。随着VO 2 薄膜厚度的减小，金属光子晶体波导的透过率迅速下降，通带带宽变窄。因此，当金属相VO 2 薄膜的最大电导率一定的情况下，提高VO 2 薄膜厚度可以提高器件的最大调制深度和工作带宽。总之，器件的调制性质主要由两个因素限制：一是有限的金属相VO 2 薄膜电导率，其越小，带来的欧姆损耗越大；二是有限的VO 2 薄膜厚度，在金属相VO 2 薄膜电导率一定时，其需要大于THz波的趋肤深度才能充分地反射THz波。因此，要提高器件性能，就需要在相变光子晶体表面获得高质量的VO 2 薄膜，即要求钒的氧化足够彻底（VO 2 在VO x 中占更高的比例），同时也要求薄膜具有厚而致密的特点。
前面在理论上深入研究了THz波段介质、金属和相变光子晶体的性质，本小节主要介绍这三种THz光子晶体的加工工艺和制备的样品。
用于刻蚀的高阻硅片的电阻率为6000Ω·cm，掺杂类型为p型，直径为4英寸
，厚度为400μm，双面抛光。主要采用MEMS技术中的深硅刻蚀工艺进行加工，加工工艺流程图如图4.7所示，加工步骤如下。
图 4.7 各种光子晶体的加工工艺流程图
（1）制掩膜版 。采用电子束曝光制成图4.8（a）所示的掩膜版。
（a）掩膜版；（b）整块4英寸未划片时的晶圆芯片照片
图 4.8
（2）清洗 。将硅片和掩膜版用硫酸与双氧水清洗液清洗2h。
（3）光刻，涂304正胶 。为了既保证刻蚀深度又保证图形刻蚀精度，涂胶厚度达4μm；采用紫外曝光，而后显影。
（4）深硅刻蚀 。刻蚀方法为电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀，刻蚀深度由刻蚀时间控制，1min大约刻蚀3μm，刻蚀时间控制在40min，刻蚀深度为120μm。
（5）等离子体去胶。
（6）划片 。划片后就得到硅光子晶体芯片，大小为10mm×4mm。图4.8（b）所示为整块4英寸未划片时的晶圆芯片照片。图4.9所示为各种结构的硅光子晶体扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）图。台阶仪探针测量柱高，柱高度为121.2μm。显微镜观察柱直径，柱直径为98.5μm和50.5μm。
（7）如需加工成金属光子晶体，可以采用蒸镀或磁控溅射的方式将金属镀到硅光子晶体芯片表面 。图4.10所示为镀铜的金属光子晶体SEM图。
（8）如需加工成相变光子晶体，可以采用金属钒靶的磁控溅射方式在硅光子晶体柱上镀膜 。在金属钒离子脱离金属钒靶的同时，通入1Pa气压的氩气与氧气混合气体，比例为1∶10，反应温度为400℃，时间为3h，钒被氧化为VO 2 的同时沉积在硅光子晶体柱表面，最终得到图4.11所示的镀VO 2 的相变光子晶体，VO 2 在整个硅光子晶体柱表面（包括顶部、侧壁和基底）形成一个VO 2 薄膜壳，厚度约为1.2μm。
图 4.9 各种结构的硅光子晶体SEM图
图 4.10 镀铜的金属光子晶体SEM图
（a~d）镀VO 2 的相变光子晶体SEM图；（e）VO 2 薄膜SEM图；（f）镀VO 2 的相变光子晶体柱的侧壁和顶部局部SEM图
图 4.11
利用制备的相变光子晶体可以进行THz波的光泵浦调制实验研究。通过采用不同入射角度和强度的激光照射相变光子晶体，研究相变光子晶体几种状态间的相互转变规律和对THz波的调制机理。第一种光泵浦方式是532nm泵浦光以斜45°辐照相变光子晶体表面。THz波沿垂直于相变光子晶体柱阵列周期平面的方向入射，如图4.13（b）所示。VO 2 的电导率可以由超快脉冲激光或连续激光诱导IMT效应而改变，而无论是介质相还是金属相的VO 2 都对532nm激光显示出强烈的吸收，532nm激光是光控VO 2 产生相变的常用选择之一，因此这里采用532nm连续激光器对相变光子晶体进行辐照。实验光路如图4.12（a）所示，器件放置在THz-TDS系统的THz波焦点位置，THz光斑大小约为3mm，泵浦光光斑与THz光斑的大小和位置重合。实验在温度为25℃和相对湿度小于5%的条件下进行。图4.12（b）为不同泵浦光功率下的THz-TDS脉冲信号，对其进行傅里叶变换，然后按照第3章介绍的数据处理方法就可以得到器件的THz振幅透射光谱线。
（a）光泵浦调控THz-TDS系统的实验光路；（b）不同泵浦光功率下的THz-TDS脉冲信号 [4]
图 4.12
首先测量未镀VO 2 薄膜的硅光子晶体的THz透射光谱线，实验结果如图4.13（d）所示。由图可以看到，无论是无辐照（0W）还是1.5W激光辐射时，THz透射光谱线均在0.87THz处存在一个强的谐振谷，其源于导模谐振效应，两者不同之处在于1.5W激光辐照下的谱线透过率只比无辐照时略微下降。镀VO 2 薄膜的相变光子晶体在不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果如图4.13（a）所示。对比图4.13（a）和图4.13（d）可以发现，无辐照时，镀VO 2 薄膜的相变光子晶体的THz透射光谱线与未镀VO 2 薄膜时基本重合。这证明了介质相VO 2 薄膜对THz波是透明的，对器件的传输没有影响，无辐照时，镀VO 2 薄膜的相变光子晶体器件表现出介质光子晶体的导模谐振效应。随着泵浦光功率的增加，整个VO 2 薄膜壳都被泵浦光激发，它逐渐由介质相变为金属相，这一物理模型示意图如图4.13（b）所示。从图4.13（a）可以看到，当泵浦光功率从0W增加到1.5W时，谐振频率外的谱线透过率从80%下降到10%（开始发生变化的泵浦光功率阈值为250mW），在0.3~0.7THz和1.05~1.45THz频段实现了对宽带THz波的振幅调制，调制深度达70%。对比图4.13（a）和图4.13（d）可以发现，在相同光泵浦条件下，镀VO 2 薄膜的相变光子晶体的调制深度远大于未镀VO 2 薄膜的硅光子晶体。这一研究结果证实了在连续激光泵浦下，VO 2 薄膜的IMT效应对THz波调制的贡献远高于高阻硅表面的光生载流子效应。
根据式（2.7）和VO 2 薄膜的电磁参数，对图4.13（b）所示的器件进行建模，由FDTD算法模拟出不同VO 2 薄膜电导率下的THz透射光谱线，模拟结果如图4.13（c）所示。对比图4.13（a）和图4.13（c）可以发现，实验结果和模拟结果吻合较好，由此可以通过比较两者的THz透射光谱线建立泵浦光功率与VO 2 电导率间的对应关系。在1.5W下，VO 2 薄膜的电导率为5×10 4 S/m，其显示出足够强的金属性。此时，器件可以被视为基底和顶部都被套上了一层金属壳，THz波不能透过器件。因此，在双光束45°泵浦的方式下，器件在介质光子晶体与金属光子晶体间发生相互转变。
（a）镀VO 2 薄膜的相变光子晶体在不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果；（b）理论模型示意图；（c）不同VO 2 薄膜电导率下的THz透射光谱线的模拟结果；（d）相同光泵浦条件下未镀VO 2 薄膜的硅光子晶体的THz透射光谱线的实验结果 [4]
图 4.13
第二种光泵浦方式是图4.14（b）所示的垂直光泵浦。不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果如图4.14（a）所示。与图4.13（a）相似，随着泵浦光功率的增加，谐振频率以外的谱线透过率开始逐渐下降。特别需要注意的是，当泵浦光功率大于1.2W时，在1.17THz和1.44THz处出现两个新的透射峰。如在1.17THz处，透过率从80%下降到0.9W时的40%，然后又增加到1.5W时的55%。这一现象可以由图4.14（b）所示的物理模型解释。由于是垂直光泵浦，相变光子晶体柱侧壁的VO 2 薄膜并没有被直接激励，因此依然保持为介质相，只有其顶部和基底变为金属相，由此形成上方为悬浮的金属圆盘、下方为直径大小相等的金属圆孔周期性排列的一个特殊的表面等离子体阵列结构，上述的透射峰正是由这一表面等离子体阵列结构的光学异常透射引起的。
（a）不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果；（b）理论模型示意图；（c）不同VO 2 薄膜电导率下的THz透射光谱线的模拟结果；（d）1.5W泵浦光功率下不同泵浦光入射角度的THz透射光谱线的实验结果 [4]
图 4.14
为了对垂直光泵浦下的器件进行建模，采用FDTD算法模拟出不同VO 2 薄膜电导率下的THz透射光谱线，模拟结果如图4.14（c）所示，与实验结果相符。1.5W泵浦光功率时，在0.87THz和1.17THz处 x - y 平面内的模场分布也显示在图4.14（c）中。由此可以看到导模谐振是一个在介质光子晶体柱中的偶极子谐振模式，而异常透射是该频率处的THz波以表面等离子体波的形式绕过金属相VO 2 薄膜圆盘从而透过器件（按照经典光学理论，光无法穿过这一几何上互补的金属圆盘加金属圆孔的结构）。因此，该器件在垂直光泵浦下实现了在介质光子晶体和表面等离子体阵列间的相互转变，这一过程中的光子晶体导模谐振谷逐渐变为等离子体异常透射峰。
此外，还研究了1.5W泵浦光功率下不同的泵浦光入射角度对THz透射光谱线的影响规律，实验结果如图4.14（d）所示。当泵浦光入射角度为0°~45°时，器件处于金属光子晶体和表面等离子体阵列的中间态；当泵浦光入射角度大于45°时，由于大的斜入射角度使得泵浦光功率密度下降，从而异常透射峰的透过率下降，因此通过改变泵浦光入射角度实现了金属光子晶体和表面等离子体阵列的相互转变。
通过在硅光子晶体上镀VO 2 薄膜，用同一微结构器件获得了介质光子晶体、金属光子晶体和表面等离子体阵列三种不同机理的人工电磁微结构，并通过不同的光泵浦方式实现了它们之间的相互转变。在0.3~0.7THz和1.05~1.45THz频段实现了调制深度达70%的THz波调制，同时还在实验上观察到金属圆盘加金属圆孔的表面等离子体阵列结构的光学异常透射现象。这种新型的相变光子晶体器件一方面可以作为宽谱THz调制器，应用于太赫兹无线通信系统，另一方面加深了对不同人工电磁微结构间的内在联系和相互转变规律的认识。