超强激光科学卓越创新简报

(第五百三十四期)

2024年7月25日

上海光机所在基于自由载流子等离子体色散效应的太赫兹可编程超表面在相位调控的研究上取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部司徒国海研究员、郭劲英副研究员团队和上海大学微电子学院合作，提出一种基于自由载流子等离子体色散效应的太赫兹相位调控可编程超表面设计方案，相关研究成果以“Terahertz programmable metasurface for phase modulation based on free carrier plasma dispersion effect”为题发表于Applied Physics Letters。

太赫兹调制器在太赫兹智能通信和计算成像等领域具有广阔的应用前景，然而现有的太赫兹相位调制器在速度、效率和通量方面并不能让人满意。因此急需开发高速、高效、高通量的太赫兹空间光调制器。

研究团队提出了一种基于自由载流子等离子体色散效应的太赫兹可编程超表面设计方案，通过将pn结集成到“H”型金属超表面单元结构中，利用外加电压变化对pn结载流子浓度分布的改变，在仿真上实现了在0.4THz频率270°的连续相位调控和30%的平均效率。该超表面单元采用“MIM”结构，每个单元均独立可调，同时利用了pn结的高速开关特性，有望达到GHz级别的调控速度。该团队还演示了超表面单元阵列的远场辐射结果，峰值旁瓣比达13dB，显示出良好的波束转向性能。该设计方案所展示的在太赫兹相位调控上的高速、高效、高通量的优势，有望在太赫兹通信和成像领域发挥重要作用。

该研究成果得到了国家自然科学基金、上海学术研究带头人项目、上海市市级科技重大专项等的支持。

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图 1 可编程超表面单元结构和波束转向功能示意图

图 2 超表面单元在电压下的连续相位调控