[论文解读] Broadband Terahertz Modulators based on MEMS-Reconfigurable Mesh Filters

Mehmet Ünlü, M. Reza Hashemi+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2012

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种基于MEMS可重构网状滤波器的宽带太赫兹调制器，可在室温下实现电致诱导的抗磁性切换。通过动态调节亚波长超分子结构，该器件通过可调磁导率和介电常数，实现了太赫兹强度控制中的记录级高调制深度和带宽。

ABSTRACT

Active tuning and switching of electromagnetic properties of materials is of great importance for controlling their interaction with electromagnetic waves. Superconductors are the only natural materials that exhibit diamagnetic switching at their critical temperatures. Here, we demonstrate a new class of meta-surfaces with electrically-induced diamagnetic switching capability at room temperature. Structural configuration of the subwavelength meta-molecules determines their magnetic response to an external electromagnetic radiation. By reconfiguration of the meta-molecule structure, the strength of the induced magnetic field in the opposite direction to the external magnetic field is varied and the diamagnetic state of the meta-surface is altered, consequently. We demonstrate a significant change in the relative permeability and permittivity of a custom-designed meta-surface with diamagnetic switching capability at terahertz frequencies, enabling terahertz intensity modulation with record high modulation depths and modulation bandwidths through a fully integrated device platform at room temperature.

研究动机与目标

• 开发一种可在室温下对电磁波相互作用实现主动调控的可调太赫兹调制器。
• 克服天然材料仅在低温下表现出抗磁性切换的局限性。
• 展示在太赫兹波段具有动态可调磁响应的电可重构超表面。
• 通过全集成器件平台实现高性能太赫兹强度调制。
• 通过超分子结构的重构实现宽带工作，而无需外加磁场。

提出的方法

• 设计具有可重构几何形状的亚波长超分子，以调控其对入射太赫兹辐射的磁响应。
• 采用基于MEMS的驱动机制，电控调节超分子阵列的结构构型。
• 利用感应磁场方向与外加磁场相反的特性，实现抗磁性切换行为。
• 通过结构重构工程化超表面，调节其相对磁导率和介电常数，从而实现对太赫兹波透射的动态调控。
• 实现全集成器件平台，用于室温下的电驱动与信号调制。
• 采用网状滤波器结构，实现在太赫兹频率范围内的宽带响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 电可重构超表面是否可在室温下于太赫兹波段实现抗磁性切换行为？
• RQ2 超分子结构的重构如何影响超表面的相对磁导率和介电常数？
• RQ3 全集成MEMS太赫兹调制器可实现的调制深度和带宽是多少？
• RQ4 能否在不依赖超导材料或低温运行的条件下实现宽带太赫兹强度调制？
• RQ5 在MEMS可重构网状滤波器中，可重构性、带宽与调制深度之间的性能权衡如何？

主要发现

• 该器件在室温下实现了电致诱导的抗磁性切换，克服了对超导材料的依赖。
• 通过超分子结构的重构，显著改变了其相对磁导率和介电常数。
• 调制器在太赫兹波段实现了记录级的高调制深度，实现了对电磁波强度的强控制。
• 由于MEMS驱动系统的快速机械响应，实现了高调制带宽。
• 通过可调超分子几何形状的网状滤波器结构，在整个太赫兹频率范围内实现了宽带工作。
• 全集成器件平台实现了无需外加磁场或低温冷却的实际室温运行。