[논문 리뷰] Broadband Circular-to-Linear Polarization Conversion of Terahertz Waves Using Self-Complementary Metasurfaces

Andrey Sayanskiy, С. А. Кузнецов외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 18.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 230–540 GHz 대역에서 광대역 원형-선형 편광 변환을 위한 알루미늄 필름에 다공성 및 직사각형 패치 패턴을 번갈아 배치한 자기보완 메타표면을 제안한다. 이 설계는 이동 대칭성을 활용하여 주파수에 독립적인 투과 위상과 선형적으로 변화하는 편광 각도를 달성함으로써, 광대역 고효율 편광 제어를 실현하며, 빔 분할 응용 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

In this work, we theoretically and experimentally study the conversion from a circularly polarized plane electromagnetic wave into a linearly polarized transmitted one using anisotropic self-complementary metasurfaces. For this purpose, a metasurface design operable at sub-terahertz frequencies is proposed and investigated in the range of 230-540 GHz. The metasurface is composed of alternating complementary rectangular patches and apertures patterned in an aluminum layer deposited on a thin polypropylene film. The term extit{self-complementary} implies that the pattern is invariant with respect to its inversion (with some translation). Our study shows that the translational symmetry of the metasurface results in unusual and useful electromagnetic properties under illumination with circularly polarized radiation beams. In particular, alongside with broadband circular-to-linear conversion, the transmitted wave exhibits a frequency independent magnitude, while its polarization angle gradually changes with frequency that paves the way for new beam-splitting applications.

연구 동기 및 목표

• 테라헤르츠 대역에서 효율적인 원형-선형 편광 변환을 위한 광대역 메타표면을 개발하기 위해.
• 주파수에 따라 변하지 않는 투과 특성을 확보하기 위해 자기보완 대칭성을 활용하여 좁은 대역의 편광 변환기의 한계를 극복하기 위해.
• 자기보완 메타표면의 이동 대칭성이 광대역에서 안정된 진폭과 조절 가능한 편광 각도를 갖는 투과 특성을 제공함을 실험적으로 입증하기 위해.
• 조절 가능한 편광 응답을 통해 준광학 시스템에서 빔 스플리터와 같은 새로운 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 폴리프로필렌 기판 위에 번갈아 가며 직사각형 금속 패치와 다공성을 배치한 자기보완 메타표면의 설계.
• 금속-다공성 전환에 대해 구조가 불변이 되도록 Babinet 원리를 적용.
• 박막이고 편평하게 펴진 폴리프로필렌 필름에 광재료를 이용한 리소그래피 및 금속 증착을 통한 제작. 측정된 치수는 설계치의 1% 이내.
• 230–540 GHz 범위에서 백워드 웨이브 오시레이터(BWO)를 사용한 준광학적 맥스웰-지엔더 간섭계를 이용한 복소 투과 계수 측정.
• 쇄기 및 진동 거울을 사용하여 각각 진폭 및 위상 측정을 위한 락인 검출 기술 적용.
• 선형 기저에서의 복소 전기장 성분을 이용한 변환 방정식을 통해 원형 편광 투과도 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기보완 메타표면은 테라헤르츠 대역에서 광대역 원형-선형 편광 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 메타표면 설계에서의 이동 대칭성은 원형 편광 파동에 대해 주파수에 독립적인 투과 위상 크기를 제공하는가?
• RQ3 이러한 구조에서 전파된 편광 각도는 주파수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 메타표면은 넓은 주파수 대역에서 높은 투과 효율을 유지하면서 동시에 조절 가능한 편광 회전을 가능하게 하는가?
• RQ5 이론적 광대역 편광 변환 성능의 실험적 검증은 어떻게 이루어지는가?

주요 결과

• 메타표면은 230–540 GHz 주파수 대역 전체에서 광대역 원형-선형 편광 변환을 달성하며, 투과 위상 크기가 거의 일정(주파수 독립적)하게 유지된다.
• 전파된 파동의 편광 각도는 주파수에 따라 선형적으로 변화하여, 조절 가능한 빔 분할 功能을 실현한다.
• 측정된 투과 위상 크기는 전체 대역에서 약 0.25로 안정되어 있으며, 자기보완 구조의 이론적 예측과 일치한다.
• 전파된 파동의 축비는 대역 전체에서 1에 가까워 고품질의 선형 편광 출력을 나타낸다.
• 실험 결과는 이론 모델과 양호한 일치를 보이며, 광대역 성능이 검증된다.
• 제작된 메타표면은 필름 편평함에 의해 설계치에서 1% 이내의 치수 편차를 보였지만, 여전히 기능적인 광대역 특성을 유지한다.