近日，中科院上海光機(jī)所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部司徒國(guó)海研究員、郭勁英副研究員團(tuán)隊(duì)和上海大學(xué)微電子學(xué)院合作，提出一種基于自由載流子等離子體色散效應(yīng)的太赫茲相位調(diào)控可編程超表面設(shè)計(jì)方案，相關(guān)研究成果以“Terahertz programmable metasurface for phase modulation based on free carrier plasma dispersion effect”為題發(fā)表于Applied Physics Letters。

太赫茲調(diào)制器在太赫茲智能通信和計(jì)算成像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，然而現(xiàn)有的太赫茲相位調(diào)制器在速度、效率和通量方面并不能讓人滿意。因此急需開發(fā)高速、高效、高通量的太赫茲空間光調(diào)制器。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于自由載流子等離子體色散效應(yīng)的太赫茲可編程超表面設(shè)計(jì)方案，通過將pn結(jié)集成到“H”型金屬超表面單元結(jié)構(gòu)中，利用外加電壓變化對(duì)pn結(jié)載流子濃度分布的改變，在仿真上實(shí)現(xiàn)了在0.4THz頻率270°的連續(xù)相位調(diào)控和30%的平均效率。該超表面單元采用“MIM”結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元均獨(dú)立可調(diào)，同時(shí)利用了pn結(jié)的高速開關(guān)特性，有望達(dá)到GHz級(jí)別的調(diào)控速度。該團(tuán)隊(duì)還演示了超表面單元陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射結(jié)果，峰值旁瓣比達(dá)13dB，顯示出良好的波束轉(zhuǎn)向性能。該設(shè)計(jì)方案所展示的在太赫茲相位調(diào)控上的高速、高效、高通量的優(yōu)勢(shì)，有望在太赫茲通信和成像領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖1.可編程超表面單元結(jié)構(gòu)和波束轉(zhuǎn)向功能示意圖

圖2.超表面單元在電壓下的連續(xù)相位調(diào)控

該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海學(xué)術(shù)研究帶頭人項(xiàng)目、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)等的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0210458