Advanced Optical Materials: 助力6G通信 — 基于深亚波长单元结构的太赫兹波束整形器件

利用超表面(metasurface)操控电磁波的散射与传播是近年来电磁学与光子学领域的一个热点研究方向。超表面通常由一系列微小的谐振单元构成,当入射电磁波与这些谐振单元相互作用后,出射波的振幅、相位或者偏振可发生明显的变化。通过对这些谐振单元的结构和空间分布进行调整,可以对出射波的状态进行精确控制,从而实现定制化的波束整形和偏振操控。如今,基于超表面的波束整形技术在低频波段(微波和毫米波)已经比较成熟并逐步进入商业化。随着新一代6G通信技术的发展,高频波段的频谱(太赫兹和红外波段)也将逐步开放,超表面器件在这些新频谱的应用值得期待。

尽管已经有大量的研究展示了超表面无与伦比的潜能,但是在高频波段,要实现高性能和高稳定性的波束整形器件仍有一系列亟待解决的问题。虽然超表面的谐振单元往往是小于工作波长的(亚波长),但是在高频波段,由于加工精度以及光学材料的限制,大部分超表面的单元尺寸都受限在1/5波长左右。近来的研究指出,这种有限大小的单元往往会降低器件的稳定性,使得器件的性能对入射波或出射波的方向更为敏感;同时,由于离散化单元带来的误差,设计中往往需要大量的时间和算力对器件进行全局优化。这种全局优化对于非周期的超表面结构而言是十分困难的,因为一个超表面器件里面往往含有成千上万的谐振单元。

解决这些问题的一个最直接的方法就是将谐振单元的尺寸缩小到深亚波长(小于1/10工作波长)。在低频率波段,这种小型化很容易实现。人们常用的方法是将金属谐振单元做成细长的绕线结构以增加其等效电感。但是在高频波段,金属的电导率大幅度下降,这种设计理念却会使谐振单元因吸收过大而处于过阻尼(overdamped)的状态。简而言之,当谐振单元处于过阻尼状态,出射波的相位变化很小,因而超表面无法在这种情况下实现高效的波束整形。

澳大利亚国立大学(Australian National University)物理学院非线性物理中心领衔的研究团队对这个问题的物理机制进行了研究,并提出了有效的解决方案。他们发现如果要在缩小谐振单元尺寸的同时将材料吸收的影响最小化,谐振单元的设计应当遵循的原则是增大其等效电容,同时减小其等效电感的变化。基于这个新思路,研究团队设计并利用电子束曝光制备了一个太赫兹超表面器件。这个超表面器件的单元具有交指电容式的纳米槽结构, 在增加谐振单元等效电容的同时也最小化了等效电感的变化。即使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),谐振仍然不会因为材料的吸收而出现过阻尼,从而为高效的波束整形提供了所需的相位变化。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计流程大大简化。研究人员发现,即使不使用全局优化,器件的性能也已经接近最优,而且稳定性也比之前的设计有了大幅提高。

研究团队相信,此项研究将会为实现基于深亚波长单元的超表面器件提供新的思路。随着下一代6G通信技术的发展,高频波段的波束整形技术将变得不可或缺。该项研究对实现超紧凑、高稳定性的高频波束整形器件具有参考意义。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201900736)上。