[논문 리뷰] Reconfigurable Curved Beams at Terahertz Frequencies Using Inverse-Designed Bilayer Diffractive Structures

Wei Jia, Miguel Gomez외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 09.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 0

한 줄 요약

저자는 두 개의 역설계된 이중층 회절 광학소자를 사용하여 수동적이고 재구성 가능한 테라헤르츠 곡선 빔을 시연한다; 두 번째 층을 180° 회전시키면 입사 파동이나 층 설계는 바꾸지 않고 궤적이 변하며, 시뮬레이션과 실험으로 결과가 검증된다.

ABSTRACT

Curved electromagnetic beams at terahertz (THz) frequencies have recently emerged as a powerful example of wavefront engineering, with applications in imaging and high-capacity wireless communications. Unlike canonical self-accelerating solutions such as Airy beams, general curved-beam propagation enables arbitrary, application-specific trajectories that are not constrained by analytic beam families. Here, we demonstrate a passive and reconfigurable approach for generating trajectory-engineered THz curved beams using inverse-designed bilayer diffractive optical elements (DOEs). Two phase-only diffractive layers are optimized using gradient-based inverse design to produce predetermined curved propagation paths. Reconfiguration is achieved by a 180° rotation of the second layer, which modifies the effective phase profile of the cascaded structure without altering the incident wave or individual layer designs. The proposed system can produce distinct curved trajectories with controlled transverse displacement and beam confinement, as confirmed by scalar diffraction simulations and experimental measurements. Overall, this work establishes inverse-designed cascaded DOEs as a compact and scalable platform for reconfigurable trajectory control of THz beams, providing a flexible alternative to analytic self-accelerating beams for radiative near-field THz communications.

연구 동기 및 목표

• 이미징 및 고용량 무선 애플리케이션을 위한 경로 엔지니어링 THz 빔 추진.
• 역설계된 이중층 DOEs를 사용한 패시브하고 재구성 가능한 빔-형성 플랫폼 개발.
• 입사 파동이나 개별 층 설계를 바꾸지 않고도 서로 다른 곡선 전파 경로를 가능하게 한다.

제안 방법

• 그라디언트 기반의 역설계를 사용하여 미리 결정된 곡선 경로를 생성하도록 두 위상 전용 회절층을 최적화한다.
• 두 개의 이중층 DOE를 연쇄시켜 전체 위상 프로필과 빔 경로를 조정한다.
• 입사 파동이나 층 설계 변경 없이 두 번째 층의 180° 회전으로 재구성 가능해진다.
• 스칼라 회절 시뮬레이션으로 설계를 검증하고 궤적 제어를 확인하기 위한 실험 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역설계된 이중층 DOE의 연쇄 쌍이 제어 가능한 곡선 THz 빔 경로를 생성할 수 있는가?
• RQ2 한 층을 180° 회전시키는 것이 유효한 위상 프로필과 결과 빔 경로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스칼라 회절 시뮬레이션이 재구성 가능한 THz 빔에 대해 실험 측정과 일치하는가?

주요 결과

• 연쇄된 bilayer DOE 시스템은 뚜렷한 곡선 THz 경로를 생성할 수 있다.
• 두 번째 층의 180° 회전으로 재구성이 가능하며 유효 위상 프로필이 수정된다.
• 스칼라 회절 시뮬레이션과 실험 측정으로 결과가 확인된다.
• 이 접근법은 THz 빔의 재구성된 경로 제어를 위한 소형이고 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 이 방법은 방사 근거리 THz 통신에 대해 해석적 자기가속 빔에 대한 유연한 대안을 제공한다.