그래핀 메타표면을 이용한 테라헤르츠파의 광특성 변조

Abstract

테라헤르츠파의 광학적 특성 제어는 차세대 무선 통신 및 의료 장비, 분광학 등 다양한 분야에 중요하다. 그중에서도 테라헤르츠파의 투과와 반사 진폭 및 편광의 능동적 제어는 테라헤르츠파의 응용 범위를 넓히는데 지대한 역할을 할 것이라 여겨진다. 본 논문에서는 2차원 인공구조인 메타표면과 2차원 물질인 그래핀을 결합하여 테라헤르츠파의 광학적 특성을 전기적으로 제어할 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 먼저, 빛의 편광 특성을 효과적으로 제어할 수 있는 위상 지연자를 설계하였다. 강한 용량성 결합을 갖는 등방성 금속 메타표면 제작과 함께 그래핀을 한쪽 방향의 전극 갭에 패터닝하고 광전도도를 전기적으로 조절하여 굴절률을 조절하였다. 이중층 그래핀을 적용한 메타표면의 경우 90도의 상대적 위상 지연을 통해 입사된 선형 편광이 원형 편광으로 변환됨을 확인하였으며, 사분(1/4) 파장판으로 적용할 수 있음을 보였다. 두 번째로, 입사되는 빛의 투과와 반사 비율을 효과적으로 조절할 수 있는 능동형 빔 분할기를 구현하였다. 일반적으로 테라헤르츠파 빔 분할은 실리콘 웨이퍼의 도핑 레벨에 따른 임피던스로 구현된다. 그러나, 상대적으로 두꺼운 빔 분할기의 기판 내부에서 생기는 패브리-페로 효과에 의한 파형 복제 및 변형으로 인해 빔 분할 이 일부 제한된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 고분자를 기판으로 하고 동작 주 수보다 높은 주파수에서 공진을 갖는 메타표면을 적용하였다. 마찬가지로 그래핀을 결합하고, 그래핀의 전도도를 게이트 전압으로 조절하여 투과와 반사 진폭을 측정하였다. 그 결과 0.5에서 1.5 THz까지의 넓은 작동 주파수 범위에서 분산 특 성 없이 입사된 빛을 분할할 수 있으며, 50:50의 분할 비율뿐만 아니라 40:60에서 77:23까지 분할 비율을 효율적으로 조절할 수 있음을 보였다. 본 연구에서 제안된 그래핀 메타표면을 통한 테라헤르츠파의 효과적인 능동 제어는 테라헤르츠 소자의 성능을 획기적으로 개선하고 소형화할 수 있으리라 기대된다.|Active control of optical properties of terahertz wave is an important role in various fields such as next-generation wireless communication, medical equipment, and spectroscopy. Specifically, the active manipulation of terahertz wave transmission and reflection amplitudes, along with polarization, is anticipated to substantially enhance the scope of applications for terahertz waves. In this paper, we explore a methodology for the electrical control of terahertz wave optical properties by integrating metasurfaces—a two-dimensional artificial structure—and graphene, a two-dimensional material. First, we designed a phase retarder that can effectively control the polarization properties of light. Along with the fabrication of an isotropic metallic metasurface with strong capacitive coupling, we patterned graphene into one direction in the electrode gap and electrically controlled its optical conductivity to adjust the refractive index. The metasurface incorporating bilayer graphene demonstrated the conversion of incident linear polarization into circular polarization with a 90-degree relative phase delay, indicating its applicability as a quarter-wave plate. Secondly, we implemented an active beam splitter that can effectively adjust the transmittance and reflectance of the incident light. Typically, terahertz beam splitting is achieved based on the impedance determined by the doping level of a silicon wafer. However, beam splitting is limited to some extent due to waveform duplication and distortion from the Fabry-Pérot effect within the relatively thick beam splitter substrate. To address this issue, we used a polymer as a substrate and applied a metasurface that resonates at a frequency higher than the operating frequency. Additionally, graphene was integrated, and the optical conductivity of graphene was adjusted via gate voltage to measure the transmitted and reflected amplitudes. As a result, efficient splitting of incident light without dispersion over a wide operating frequency range from 0.5 to 1.5 THz was demonstrated, along with effective control of the splitting ratio ranging from 50:50 to as extreme as 40:60 or 77:23. The proposed method for actively manipulating terahertz waves using graphene metasurfaces is expected to significantly enhance the performance of terahertz components and enable their miniaturization.