[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种可编程的各向异性数字超表面，通过VO2微线中的电压控制相变，实现实时独立调控双极化太赫兹（THz）波。通过在每个超原子中集成两根相互垂直的VO2微线，并利用多通道直流网络施加独立偏置电压，该器件可实现每个偏振通道在数字状态（0和1）间的动态切换，从而实现聚焦波束和具有任意轨道角动量（OAM）模式的涡旋波束的可重构生成。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可重构超表面，能够独立调控两个正交极化的THz波。
• 克服各向同性超表面在所有极化下响应一致的局限性。
• 利用VO2微线中的电压驱动相变，实现实时光学波前的动态控制。
• 对每个偏振通道实现近场聚焦与远场散射图案的数字可编程控制。
• 在单一器件中实现多功能波前调控，包括聚焦波束和可调OAM模式的涡旋波束。

提出的方法

• 超表面由每个包含两根相互垂直的VO2微线的超原子组成，实现对两个正交极化态的独立控制。
• VO2微线中的电压控制相变可使超原子在两个数字状态（0和1）之间切换，从而调制每个极化的局部相位响应。
• 通过计算机编程的多通道直流网络，对每个VO2微线施加独立偏置电压，实现每个偏振通道的任意且动态的编码序列。
• 将抛物线编码序列和螺旋-抛物线编码序列编码到超表面中，以将波前整形为聚焦波束或具有特定OAM模式的涡旋波束。
• 该器件工作在THz频段，利用VO2的绝缘体-金属相变实现超快可重构性。
• 通过仿真和理论分析验证了近场和远场的波前调控，展示了偏振选择性波束控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个超表面能否利用单一活性材料系统独立控制两个正交极化的THz波？
• RQ2 VO2微线中的电压驱动相变如何实现双极化波前的数字可重构控制？
• RQ3 为每个偏振通道生成聚焦波束和具有可调OAM模式的涡旋波束，需要何种编码序列？
• RQ4 该超表面在近场和远场中，对不同波前形状和散射图案的动态切换能力达到何种程度？
• RQ5 该器件能否实现高保真度的偏振复用波前调控，并对每个通道实现独立可编程控制？

主要发现

• 通过为每个偏振通道编码抛物线编码序列，该超表面成功在预设焦点位置生成单个和多个聚焦THz波束。
• 螺旋-抛物线编码序列使每个偏振通道独立生成单个和多个具有可互换轨道角动量（OAM）模式的涡旋波束。
• 通过VO2微线中的电压控制相变，器件实现了波前的动态实时重构，每个偏振通道在数字状态（0和1）之间切换。
• 对每个偏振通道独立调控近场聚焦与远场散射图案，展示了偏振选择性波前整形能力。
• 各向异性设计为调控不同极化电磁波提供了新的自由度，提升了数据容量和存储密度。
• 由于其可重构、多功能和偏振复用能力，该系统在超快THz通信和动态全息技术方面展现出巨大潜力。