[論文レビュー] Programmable anisotropic digital metasurface for independent manipulation of dual-polarized THz waves based on voltage-controlled phase transition of VO2 microwires

Javad Shabanpour|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、VO2マイクロワイヤーにおける電圧制御型相転移を用いて、二重偏光THz波を独立してリアルタイムで操作可能なプログラマブルな異方性デジタルメタサーフェスを提示する。1メタ粒子に垂直に配置された2本のVO2マイクロワイヤーを統合し、マルチチャネルDCネットワークを介して個々のバイアス電圧を印加することにより、各偏光チャネルについてデジタル状態（0および1）への動的スイッチングを実現し、焦点化ビームおよび任意の軌道的角運動量（OAM）モードを有する渦状ビームの再構成可能な生成を可能にする。

ABSTRACT

Programmable metasurfaces incorporated with tunable materials controlled by external stimuli can provide an unprecedented degree of freedom in dynamical wave manipulation in real-time. Beyond the scope of isotropic reconfigurable metasurfaces that only support unique tunable responses for excitation with a certain single-polarization, here, for the first time a new generation of ultrafast reprogrammable multi-functional anisotropic metasurface is reported to enable interchangeable missions independently for two orthogonal linearly polarized THz wavefront excitations. The reconfigurability of the proposed anisotropic meta-device was guaranteed by elaborately designed meta-particle composed of two perpendicular VO2 microwires whose operational statuses can be arbitrarily and dynamically tuned among two digital states of 0 and 1 independent for dual-polarization channels by mere changing the biasing voltage via two independent computer-programmed multichannel DC network. Capitalizing on such meta-particle design, single/multiple focused THz beam into a pre-determined focal spot and single/multiple focused vortex beams with interchangeable OAM modes satisfactorily generated by encoding a metasurface with different parabola and spiral-parabola-like coding sequences respectively. Besides controlling the near field behaviors, the versatility and flexibility of the proposed anisotropic metasurface also can furnish an inspiring platform to manipulate the far-field scattering patterns in each desired polarization channel. Anisotropic meta-device bringing new degrees of freedom in achieving versatile tunable control of differently polarized electromagnetic waves which will significantly enhance storage density and data capacities and has the potential for complicated wave manipulation such as ultrafast THz communication and dynamic holography.

研究の動機と目的

• 二重に直交する偏光THz波を独立して操作可能な再構成可能メタサーフェスの開発を目的とする。
• 偏光にわたって一様な応答を示す等方的メタサーフェスの制限を克服することを目的とする。
• VO2マイクロワイヤーにおける電圧駆動型相転移を用いて、THz波面のリアルタイムで動的制御を可能とすることを目的とする。
• 各偏光チャネルについて、近場の焦点化および遠方場の散乱パターンをデジタル的かつプログラマブルに制御することを目的とする。
• 1つのデバイスで焦点化ビームおよび可変OAMモードを有する渦状ビームを含む、多機能な波動操作を実現することを目的とする。

提案手法

• メタサーフェスは、各メタ粒子に2本の直交するVO2マイクロワイヤーを含む構造であり、2つの直交する偏光状態の独立した制御を可能にする。
• VO2マイクロワイヤーにおける電圧制御型相転移により、メタ粒子が2つのデジタル状態（0および1）の間でスイッチングされ、各偏光に対する局所的位相応答が変調される。
• コンピュータ制御のマルチチャネルDCネットワークにより、各VO2マイクロワイヤーに独立したバイアス電圧が印加され、各偏光チャネルに対して任意かつ動的コード化シーケンスが実現可能となる。
• 放物線的およびらせん状放物線的コード化シーケンスがメタサーフェスに符号化され、波面が焦点化ビームまたは特定のOAMモードを有する渦状ビームに整形される。
• デバイスはTHz帯域で動作し、VO2の絶縁体-金属転移を活用して超高速な再構成性を達成する。
• 近場および遠方場における波動操作は、シミュレーションおよび理論的分析により検証され、偏光選択的波面制御が実証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのメタサーフェスが、1つのアクティブ材料系を用いて二重に直交する偏光THz波を独立して制御可能か？
• RQ2 VO2マイクロワイヤーにおける電圧駆動型相転移は、二重偏光波面のデジタル的で再構成可能な制御をどのように実現するか？
• RQ3 各偏光チャネルに対して、焦点化ビームおよび可変OAMモードを有する渦状ビームを生成するためのコード化シーケンスは何か？
• RQ4 近場および遠方場において、メタサーフェスは、さまざまな波面形状および散乱パターンをどれほど動的にスイッチング可能か？
• RQ5 デバイスは、各チャネルについて独立したプログラマブル性を有し、高精度の偏光多重波動操作を達成可能か？

主な発見

• パラボリックコード化シーケンスを各偏光チャネルに符号化することにより、所定の焦点位置に単一および複数の焦点化THzビームを効果的に生成した。
• らせん状放物線的コード化シーケンスにより、相互に交換可能な軌道的角運動量（OAM）モードを有する単一および複数の渦状ビームが、各偏光に対して独立して生成可能となった。
• VO2マイクロワイヤーにおける電圧制御型相転移により、各偏光チャネルのデジタル状態（0および1）へのスイッチングを介した波面の動的かつリアルタイムな再構成が達成された。
• 近場の焦点化および遠方場の散乱パターンが、各偏光に対して独立して操作可能であり、偏光選択的波面形状制御が実証された。
• 異方的設計により、異なる偏光状態の電磁波を制御するための新たな自由度が提供され、データ容量および記憶密度の向上が可能となった。
• 再構成可能で多機能的かつ偏光多重可能な特性を有するため、超高速THz通信および動的ホログラフィーへの応用が示唆された。