图像：与半导体集成的有源元器件。Credit: Advanced Devices & Instrumentation
- (a) 用于全光超快有源超材料的混合硅金属谐振器。
- (b) 利用低温生长的砷化镓实现飞秒级开关时间的宽带超材料频率开关。
- (c) 具有偏振弛豫时间的主动太赫兹调制混合超材料。
- (d) 用于单向和可重构光束转向的介质超表面。
- (e) 有源介电 BIC 驱动元器件。
液晶-超材料复合器件。向列相液晶已被广泛用于可见光波段的相位调制，在太赫兹波段的应用中也很有价值。然而，要获得足够大的相移，液晶的厚度需要与波长相近，从而增加了调制恢复时间，这对太赫兹应用构成了挑战。将液晶材料与超材料相结合，可以大大减小液晶厚度，降低驱动电压，提高器件开关速度，并利用超表面产生一系列功能应用。
相变材料-超材料设备。利用相变材料（GST、VO2 等）在外部驱动调制下从晶体向非晶态转化的过程，会带来材料折射率和吸收系数的变化，从而为复合超材料器件的主动调制带来丰富的应用场景，满足不同的应用需求（图 1b）。目前，驱动相变材料的手段多种多样，各有优缺点。
石墨烯超材料器件。石墨烯在太赫兹波段的电导率与直流电导率呈正相关，因此可以通过调制费米能级实现对太赫兹波的高效宽带调制。典型的调制应用包括类二极管光学器件、宽带相位调制器件、光存储器件和非线性器件。基于电驱动的石墨烯超材料器件的调制速度仍然受到 RC 时间的限制；此外，其自身有限的厚度也限制了与光相互作用的强度，需要依靠超材料极强的局部场增强来提高调制深度。
微机电系统-超材料设备。微机电系统（MEMS）是现有最先进集成系统的基本组成部分。基于微机电系统成熟的加工工艺和广泛的应用范围，其技术可以很好地扩展到太赫兹波段的应用，其中一个典型的应用场景是利用静电驱动实现电磁波极化状态的动态调制（图 1d）。将微机电系统与超表面相结合还可以实现可编程调制器，有望在一个设备中集成动态偏振态调制、波前偏置、全息显示等复杂功能。然而，可靠性是微机电系统超表面阵列面临的一个问题，如变形分布不均匀、缺陷和悬臂梁无法释放等。
硅-超材料器件。太赫兹波段使用的主要半导体材料是硅和砷化镓，动态调制通过两种模式实现：全光调制和电驱动。全光调制通常是利用激光脉冲激发半导体材料的瞬态载流子，材料载流子浓度的变化对太赫兹波的透射率/反射率产生调制，通过与超表面的结合可以实现振幅调制、偏振分束、辐射角切换等应用。其最大优势是可以实现超快调制速度，并可实现远程调制。电驱动调制通过电注入或耗尽载流子来改变材料的载流子浓度，从器件实用性和集成度的角度来看往往更具吸引力，但调制速度受到驱动电路 RC 时间的限制。
拓扑光子学。基于拓扑光子学的太赫兹波导具有传输效率高、稳定性好、对大角度偏转不敏感等优点，有助于太赫兹通信应用的发展。拓扑光子学的应用大多基于光子晶体。本文简要介绍了拓扑光子学的基本原理（图 2a）、拓扑光子晶体的几种分类（图 2b，时间反转对称破缺的拓扑光子晶体）以及拓扑不变式的计算，重点介绍了具有时间反转对称的量子自旋霍尔效应（图 2c）和量子谷霍尔效应（图 2d）的光子晶体。最后，文章总结了目前有关基于拓扑光子晶体的太赫兹通信应用的报道（图 2e）。
用于自由空间太赫兹波的有源超材料涉及的驱动方式包括电、光、热、力等，在应用中各有优缺点，如典型的电驱动方式集成度好，但调制速度往往受限于RC时间；光驱动的调制时间可达飞秒级，可远程遥控，但集成度有限，调制频率受限于脉冲激光的重复频率。对于片上太赫兹应用，拓扑光子学与有源调制的结合有望切实推动太赫兹通信应用的发展。利用高阶拓扑光子晶体还有望进一步增强光物质相互作用，并为高功率太赫兹辐射源提供解决方案。
Terahertz Metamaterials for Free-Space and on-Chip Applications: From Active Metadevices to Topological Photonic Crystals
https://spj.science.org/doi/10.34133/2022/9852503
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