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Advanced Optical Materials: 助力6G通信 — 基于深亚波长单元布局的太赫兹波束整形器件
2019-09-04 17:14:54 | 【 【打印】【封闭】

  把持超概况(metasurface)操控电磁波的散射与传布是近年来电磁学与光子学范畴的一个热点研究标的目的。超概况凡是由一系列藐小的谐振单元构成,当入射电磁波与这些谐振单元相互传染感动后,出射波的振幅、相位或者偏振可发生较着的变化。经由对这些谐振单元的布局和空间分布进行调整,能够对出射波的情况进行切确节制,从而完成定制化的波束整形和偏振操控。此刻,基于超概况的波束整形技术在低频波段(微波和毫米波)曾经比力成熟并逐步进入贸易化。跟着新一代6G通信技术的成长,高频波段的频谱(太赫兹和红外波段)也将逐步开放,超概况器件在这些新频谱的使用值得等待。

  虽然曾经有大量的研究展现了超概况无与伦比的潜能,可是在高频波段,要完成高机能和高不变性的波束整形器件仍有一系列亟待处理的问题。虽然超概况的谐振单元往往是小于工作波长的(亚波长),可是在高频波段,由于加工精度以及光学材料的限制,大部门超概况的单元尺寸都受限在1/5波长摆布。近来的研究指出,这类有限大小的单元往往会降低器件的不变性,使得器件的机能对入射波或出射波的标的目的更为敏感;同时,由于离散化单元带来的误差,设想中往往需要大量的时间和算力对器件进行全局优化。这类全局优化对于非周期的超概况布局而言是很是坚苦的,由于一个超概况器件里面往往含有成千上万的谐振单元。

  处理这些问题的一个最间接的方式便是将谐振单元的尺寸缩小到深亚波长(小于1/10工作波长)。在低频次波段,这类小型化很容易完成。人们常用的方式是将金属谐振单元做成细长的绕线布局以添加其等效电感。可是在高频波段,金属的电导率大幅度下降,这类设想理念却会使谐振单元因接收过大而处于过阻尼(overdamped)的情况。简而言之,当谐振单元处于过阻尼情况,出射波的相位变化很小,因而超概况无法在这类环境下完成高效的波束整形。

 

   澳大利亚国立大学(Australian National University)物理学院非线性物理核心领衔的研究团队对这个问题的物理机制进行了研究,并提出了无效的处理方案。他们发觉若是要在缩小谐振单元尺寸的同时将材料接收的影响最小化,谐振单元的设想该当遵照的准绳是增大其等效电容,同时减小其等效电感的变化。基于这个新思绪,研究团队设想并把持电子束曝光制备了一个太赫兹超概况器件。这个超概况器件的单元具有交指电容式的纳米槽布局, 在添加谐振单元等效电容的同时也最小化了等效电感的变化。即便谐振单元的尺寸缩小到了深亚波长量级(小于1/25工作波长),谐振仍然不会由于材料的接收而出现过阻尼,从而为高效的波束整形供给了所需的相位变化。更值得一提的是,深亚波长尺寸的谐振单元也使得器件的设想流程大大简化。研究人员发觉,即便不该用全局优化,器件的机能也曾经接近最优,并且不变性也比之前的设想有了大幅提高。

  研究团队相信,此项研究将会为完成基于深亚波长单元的超概况器件供给新的思绪。跟着下一代6G通信技术的成长,高频波段的波束整形技术将变得不成或缺。该项研究对完成超紧凑、高不变性的高频波束整形器件具有参考意义。相关论文在线颁发在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201900736)上。 

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