Ενεργός μετα-πολωτής για συχνότητες terahertz

Αφηρημένη

Τα ενεργά μετα-πολωτικά που βασίζονται σε υλικά αλλαγής φάσης οδήγησαν πρόσφατα σε αναδυόμενες εξελίξεις σε συσκευές terahertz και συστήματα απεικόνισης, ασφάλειας και επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες προσαρμοστικού ελέγχου των μετα-πολωτών περιορίζονται στην πολυπλοκότητα των εξωτερικών ερεθισμάτων. Εδώ, παρουσιάζουμε έναν ενεργό πολωτή terahertz που αποτελείται από ένα μονό στρώμα μοτίβων μεγάλου μεγέθους υλικού διοξειδίου του βαναδίου που είναι ενσωματωμένο με μεταλλική μήτρα επιθέματος για να αναδιαμορφώσει δυναμικά την πόλωση των κυμάτων terahertz. Ο προτεινόμενος ενεργός πολωτής έχει απλή δομή και μπορεί ανεξάρτητα να χειριστεί την πόλωση των προσπίπτων κυμάτων THz σε δύο ορθογώνιες κατευθύνσεις. Επιπλέον, η συσκευή μπορεί επίσης να λειτουργεί ως ένας πολύ αποδοτικός ανακλαστήρας στις ίδιες συχνότητες. Δείχνουμε ότι αποτελεσματικές και γρήγορες αλλαγές πόλωσης των κυμάτων THz μπορούν να επιτευχθούν σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης λειτουργίας. Σε σύγκριση με άλλα ενεργά πολωτικά που χρησιμοποιούν μηχανικούς, οπτικούς και θερμικούς ελέγχους, μπορεί εύκολα να χειριστεί με προκατάληψη DC χωρίς εξωτερικούς ενεργοποιητές, έντονη πηγή λέιζερ ή θερμαντήρα. Επομένως, με τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης, του μικρού μεγέθους, του χαμηλού κόστους, του χαμηλού κόστους και της γρήγορης απόκρισης, ο προτεινόμενος πολωτής μπορεί να είναι εξαιρετικά ολοκληρωμένος και πρακτικός για λειτουργία σε προσαρμοσμένα κυκλώματα και συστήματα terahertz.

Εισαγωγή

Οι ακτινοβολίες Terahertz, με τα εξαιρετικά πλεονεκτήματά τους (μεγάλο εύρος ζώνης, ταξιδεύουν σε οπτική επαφή, καλή διείσδυση και μη ιονίζουσες) προσφέρουν άνευ προηγουμένου δυνατότητες σε εφαρμογές που εκτείνονται από ιατρική απεικόνιση 1 , ασφάλεια 2 , ραντάρ 3 , επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας 4 έως φασματοσκοπία σύνθετα μοριακά δίκτυα 5 . Συγκεκριμένα, τα ενεργά πολωτικά παίζουν σημαντικό ρόλο στα συστήματα απεικόνισης terahertz και ασύρματων επικοινωνιών, τα οποία είναι απαραίτητα για τη βελτίωση της ποιότητας απεικόνισης και επικοινωνίας 6 , 7. Οι πρόσφατες τεχνολογίες προσαρμοστικού ελέγχου των πολλαπλασιασμών κυμάτων Terahertz βασίζονται σε μετα-συσκευές (συλλογή συζευγμένων ταυτόσημων μετα-ατόμων) που τροποποιούν την εγγενή συνολική τοπολογία τους μέσω μηχανικών, οπτικών, ηλεκτρικών και θερμικών ερεθισμάτων 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 ,28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 .

Οι προσεγγίσεις μικροηλεκτρομηχανικού συστήματος (MEMS) έχουν χρησιμοποιηθεί για να επιτρέψουν τον δυναμικό έλεγχο των χειρομορφικών ιδιοτήτων των συσκευών μετα-υλικών 8 , 9 , 10 . Σε αυτές τις υλοποιήσεις, η γωνία ανάρτησης ενός προβόλου στον αέρα μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια μέσω ηλεκτροστατικών 8 ή θερμικών 9 ενεργοποιήσεων, οι οποίες προκαλούν την τροποποίηση των καταστάσεων πόλωσης μιας προσπίπτουσας ακτινοβολίας THz. Επιπρόσθετα, η ηλεκτρομηχανικά ελεγχόμενη ανισοτροπία της ακτινοβολίας THz υφίσταται χειρισμό από έναν ενεργοποιητή χτένας 11 . Εκτός αυτού, ένα χειρομορφικό μεταβαλλόμενο μεταβλητό υλικό για διαμόρφωση πόλωσης μπορεί επίσης να παραχθεί από μια πνευματική δύναμη 12. Ωστόσο, οι απαιτούμενοι εξωτερικοί ενεργοποιητές έχουν περιορισμένες ταχύτητες μεταγωγής, οι οποίες ενδέχεται να μην είναι αρκετά γρήγορες για εφαρμογές terahertz.

Η οπτική φωτοδιέγερση που τροποποιεί την επιφάνεια και τη μαζική αγωγιμότητα των υποστρωμάτων ημιαγωγών μέσω της δημιουργίας φωτοκαταφορέων είναι αποτελεσματική για την πραγματοποίηση των πολωτών THz 13 , 14 . Έτσι, η οπτική διέγερση των μεταϋλικών συσκευών που κατασκευάζονται από μεταλλικά σχήματα διπλής στιβάδας (αντηχεία σε αντίθεση με αντηλιακά σχήματα με διαφορετικά μεγέθη) σε ένα υπόστρωμα ημιαγωγού επέτρεψε γωνίες περιστροφής τεραχέρτζ έως 45 ° 14 . Επιπλέον, το υλικό ημιαγωγού (επιταξιακά σχήματα Si) μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε μεταλλικούς χειρομορφικούς αντηχείς 15 , 16 , 17 και μπορεί να λειτουργήσει ως οπτικός διακόπτης που ελέγχει μια συγκεκριμένη κατάσταση του πολωτή. Διαφορετικές άλλες οπτικές προσεγγίσεις χρησιμοποιούν μάσκες σκιάς18 ή προγραμματιζόμενα μοτίβα φωτογραφιών 19 για προβολή έντονου φωτός σε υποστρώματα Si για χειρισμό της πόλωσης του κύματος περιστατικών THz. Αν και αυτές οι προσεγγίσεις δείχνουν υψηλότερο βαθμό ευελιξίας, απαιτούν εξωτερικές έντονες πηγές λέιζερ, οι οποίες αυξάνουν το μέγεθος της συνολικής συσκευής πόλωσης.

Τα ηλεκτρικά χειριστήρια χρησιμοποιούνται επίσης για τον χειρισμό της πόλωσης της ακτινοβολίας terahertz. Οι υγροί κρύσταλλοι (LC) είναι καλοί υποψήφιοι για ηλεκτρικά χειρισμένα ενεργά υλικά σε συχνότητες THz χρησιμοποιώντας μεταλλικά ηλεκτρόδια 20 ή πορώδη γραφένιο 21 . Έτσι, μια ανακλαστική πλάκα κύματος terahertz που βασίζεται σε στρώματα LC ενσωματωμένα με ένα μεταλλικό πλέγμα σύρματος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του δείκτη διάθλασης LC 20 . Ρυθμίζοντας την εφαρμοζόμενη τάση, η πόλωση του περιστατικού THz μπορεί να μετατραπεί κατάλληλα. Εκτός από τους LC, το γραφένιο είναι ένα άλλο πολλά υποσχόμενο υλικό για ηλεκτρικά συντονιζόμενες πλάκες κυμάτων THz 22 . Ενεργός πολωτής με δύο στρώσεις γραφενίου 23δείχνει ότι η μετάδοση ενός κύματος terahertz μπορεί να διαμορφωθεί ηλεκτρικά για να μετατρέψει την πόλωση του ανακλώμενου κύματος. Σε αυτά τα σχέδια, παρόλο που δεν απαιτείται εξωτερικός ενεργοποιητής ή πηγή λέιζερ, απαιτούνται πολλαπλές στρώσεις, συμπεριλαμβανομένων στρώσεων πόλωσης DC για τον έλεγχο του LC ή του γραφενίου, με αποτέλεσμα υψηλές απώλειες μετάδοσης και περίπλοκη κατασκευή.

Τα θερμικά ερεθίσματα μπορούν να εφαρμοστούν εύκολα στον χειρισμό της απόκρισης των συσκευών terahertz με ενσωματωμένα υλικά μετάβασης φάσης όπως το διοξείδιο του βαναδίου (VO 2 ) 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Η δυνατότητα χρήσης της ενσωμάτωσης VO 2 για την πραγματοποίηση ευέλικτων μετα-υλικών THz προέρχεται από την ικανότητά του να εκτελεί μια αναστρέψιμη μετάβαση μετάλλου-μονωτή (MIT) που καλύπτει τομείς μεγάλων συχνοτήτων, από DC σε μικροκύματα έως THz και κοντά στις υπέρυθρες συχνότητες 24 , 2728. Το MIT συνοδεύεται από μεγάλες και απότομες αλλαγές στις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες του υλικού (π.χ. έως και 5 τάξεις μεγέθους στην ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ των δύο καταστάσεων) και μπορεί να προκληθεί όχι μόνο από τη θερμοκρασία, αλλά και από ηλεκτρικά ή οπτικά 29 , 30 . Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά του MIT στο VO 2 είναι η ευρυζωνική απόκριση της μετάβασης που εκδηλώνεται από δραστικές αλλαγές ηλεκτρικών και διηλεκτρικών ιδιοτήτων μεταξύ του μονωτή και των μεταλλικών καταστάσεων 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33και συνεπώς, το δυναμικό ενσωμάτωσής του για εφαρμογές υψηλής συχνότητας όπως ευρυζωνικοί διακόπτες THz και διαμορφωτές 24 , 25 , αναδιαμορφώσιμα φίλτρα 26 , 27 , 28 ή κεραίες κυμάτων χιλιοστών 34 .

Συγκεκριμένα, μια συσκευή πόλωσης THz με στρώμα VO 2 τοποθετημένη κάτω από μεταλλικές σχάρες είναι ικανή να αλλάξει την κατάσταση πόλωσης της ενεργού συσκευής μέσω θέρμανσης 35 . Η VO 2 μπορεί επίσης να ενσωματωθεί με μετα-υλικά 36 , 37 για να χειριστούν την πόλωση των κυμάτων THz. Η διασταύρωση σε σχήμα συστοιχίας με VO 2 pads προτείνεται 36 για να μετατρέψει ένα περιστατικό κύμα από γραμμική πόλωση (LP) προς κυκλική πόλωση (CP). Ένας παρόμοιος θερμικά ενεργός πολωτής που χρησιμοποιείται μεμβράνες VO 2 σε συντονιστές σχήματος Ε μπορεί να επιτρέψει με επιτυχία τη μετατροπή 37πόλων κυμάτων. Τα προαναφερθέντα σχέδια απαιτούν εξωτερικούς θερμαντήρες για την τροποποίηση της κατάστασης των υλικών μετάβασης φάσης που είναι ενσωματωμένα στην τοπολογία των μετα-υλικών, τα οποία έχουν ως αποτέλεσμα υψηλό κόστος ενέργειας, σύνθετες δομές συσκευών και κακή τοποθέτηση της θερμικής κατανομής.

Εδώ, αναφέρουμε μια νέα προσέγγιση για την επίτευξη ενός ενεργού αναδιαμορφώσιμου πολωτή THz, εκμεταλλευόμενοι ένα ηλεκτρικά επαγόμενο ρεύμα σε τακάκια VO 2 για την παραγωγή θερμότητας Joule, παράγοντας μια μετάβαση μονωτή-σε-μέταλλο (IMT) στο υλικό. Ένας πολωτής ενός στρώματος έχει σχεδιαστεί και κατασκευάζεται σε υπόστρωμα ζαφείρι τύπου C (Al 2 O 3 ). Η συσκευή αποτελείται από μια μεγάλη περιοδική συστοιχία προτύπων VO 2 που συνδυάζεται με μια μήτρα μεταλλικών μπαλωμάτων, τα οποία ενεργούν ως στατικά στοιχεία του πολωτή και, ταυτόχρονα, μεταφέρουν (μέσω πλευρικών συνδέσεων ηλεκτροδίων) την πόλωση πόλωσης για ηλεκτρικά τροποποίηση της κατάστασης (μονωτικό ή μεταλλικό) του VO 2υλικά μοτίβα. Η δισδιάστατη σειρά εναλλασσόμενων μπαλωμάτων VO 2 επιτρέπει, εφαρμόζοντας τάση πόλωσης στα πλευρικά ηλεκτρόδια (σε κατεύθυνση x- ή y ), να τροποποιήσει την τοπολογία της συσκευής (δημιουργία τοπολογίας τύπου κιγκλιδώματος σε x - ή κατεύθυνση y ) και προκαλούν γραμμική πόλωση της μεταδιδόμενης ακτινοβολίας THz στην αντίστοιχη κατεύθυνση. Έτσι, εντός της ίδιας συσκευής, η ενεργοποίηση τάση στο μεταλλική κατάσταση του VO 2 συστοιχίες μοτίβο σε ορθογώνιες κατευθύνσεις επιτρέπει να προετοιμάσει μια συγκεκριμένη γραμμική κατάσταση πόλωσης του αρχικά un-πολωμένο προσπίπτουσα ακτινοβολία THz. Επιπλέον, όταν ενεργοποιείται ηλεκτρικά τα μοτίβα VO 2 και στα δύοx- και y- κατευθύνσεις, η συσκευή θα συμπεριφέρεται ως ένας πολύ αποδοτικός ανακλαστήρας για τα περιστατικά κύματα THz στον τομέα 300-400 GHz.

Αποτελέσματα

Ρυθμιζόμενος ενεργός πολωτής με διοξείδιο του βαναδίου

Η τοπολογία της συσκευής ενεργού πολωτή όπως απεικονίζεται στο Σχ.  1 αποτελείται από μια μήτρα μεταλλικών επιθεμάτων (σχέδια χρυσού χρώματος), μπαλώματα VO 2 διατεταγμένα σε κατακόρυφη κατεύθυνση ( κατεύθυνση y , μοτίβα μπλε χρώματος) και τα επιθέματα VO 2 διατεταγμένα στην οριζόντια κατεύθυνση ( x- κατεύθυνση, μοτίβα πράσινου χρώματος). Και στις δύο κατευθύνσεις x και y , τα στοιχεία VO 2 συνδέονται μέσω των μεταλλικών μοτίβων με εξωτερικά ηλεκτρόδια στα οποία χρησιμοποιείται η εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης για να προκαλέσει τη μετάβαση του μονωτή μετάλλου των μοτίβων VO 2 σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Όταν μια τάση U x, ή αντίστοιχα, το U y (με τιμές υψηλότερες από 130 V, η απαιτούμενη τάση κατωφλίου για την ενεργοποίηση της μετάβασης του μετα-μονωτή στα μοτίβα VO 2 ) εφαρμόζεται στα μεταλλικά ηλεκτρόδια, τα μοτίβα VO 2 στη συγκεκριμένη ενεργοποιημένη κατεύθυνση μπορούν να αλλάξουν από η μονωτική τους κατάσταση (με αγωγιμότητα 10 S / m) στη μεταλλική τους κατάσταση (αγωγιμότητα ~ 3,2 × 10 5 S / m), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της κατάστασης της πόλωσης των κυμάτων στην επιθυμητή κατεύθυνση. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση (Εικ.  1 α), ο πολωτής μπορεί να θεωρηθεί ως μια διαφανής επιφάνεια τόσο για τα προσπίπτοντα κύματα x όσο και για το y . Ωστόσο, όταν η τάση U yεφαρμόζεται (Εικ.  1 b), ο πολωτής μπορεί να μπλοκάρει το κύμα προσπίπτουσης y- πολώματος και το κύμα προσπίπτου- x πολωμένου μπορεί να περάσει. Ενώ εφαρμόζεται η τάση U x , η συσκευή μπορεί να μπλοκάρει το κύμα προσπίπτουσης x- πολώματος και να μεταδώσει το κύμα προσπίπτουσης y- πολωμένου (Εικ.  1 γ). Όταν οι τάσεις U y και U x εφαρμόζονται ταυτόχρονα, ο πολωτής λειτουργεί ως ανακλαστήρας (Εικ.  1 d) για να μπλοκάρει όλο το περιστατικό κύμα THz.

Φιγούρα 1

Σχέδια του ηλεκτροκίνητου πολωτή με σχέδια VO 2 . ( α ) Πολωτήρας χωρίς διέγερση εξωτερικής τάσης. Καθώς όλα τα VO 2 βρίσκονται σε μονωτική κατάσταση (δεν παρεμβαίνουν στην προσπίπτουσα ακτινοβολία), τα προσπίπτοντα κύματα x -και y μπορούν να περάσουν μέσω του πολωτή. ( β Πολωτής υπό εξωτερική διέγερση του U y . Τα μοτίβα Blue VO 2 (κατά την κατεύθυνση y ) μετατρέπονται σε μεταλλική κατάσταση κάτω από το U y και το κύμα προσπίπτουσης y- πολωμένου είναι αποκλεισμένο. ( γ ) Πολωτής υπό εξωτερική διέγερση του Ux . Τα πράσιναμοτίβαVO 2 (στηνκατεύθυνση x ) ενεργοποιούνται ηλεκτρικά στη μεταλλική τους κατάσταση και τοκύμα προσπίπτουσης x- πολωμένο είναι μπλοκαρισμένο. ( δ ) Πολωτής υπό εξωτερικές διεγέρσεις των U x και U y . Τόσο τα πράσινα όσο και τα μπλεμοτίβαVO 2 είναι ενθουσιασμένα με τη μεταλλική τους κατάσταση, κατά συνέπεια, τακύματα προσπίπτουσης x και y μπορούν να αποκλειστούν.

Εικόνα πλήρους μεγέθους

Μοντέλο κυκλώματος και συντελεστής μετάδοσης

Το Σχήμα  2 αντιπροσωπεύει, για όλες τις διαμορφώσεις που παρουσιάζονται στο Σχήμα  1 , το τρισδιάστατο ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο της μονάδας κυψελίδας του πολωτή (μεταλλικά και VO 2 σχέδια που έχουν κατατεθεί σε υπόστρωμα ζαφείρι πάχους 100 μm.), Το αντίστοιχο μοντέλο κυκλώματος και τις σχετικές προσομοιωμένες αποκρίσεις της συσκευής, ως παράμετροι μετάδοσης S 21 και στις δύο κατευθύνσεις x - και y . Ο πολωτής έχει σχεδιαστεί ως μήτρα μεταλλικών στοιχείων τετραγωνικού σχήματος 30 × 30 (40 × 40 μm 2 ) χωρισμένο με 10 μm και συνδέεται μέσω μήκους 10 μμ με πλάτος 20 μμ VO 2 μοτίβα και στα δύο x - και y-κατευθύνσεις, με συνολική ενεργή περιοχή 1,5 × 1,5 mm 2 . Εκτός από το ρόλο τους στη μεταφορά της προκατάληψης στα μοτίβα VO 2 , τα μεταλλικά επιθέματα λειτουργούν επίσης ως αντιανακλαστικό στρώμα για να μειώσουν την απώλεια ανάκλασης του πολωτή. Τα ισοδύναμα κυκλώματα σε κατευθύνσεις x - και y που σχετίζονται με διαφορετικές καταστάσεις της συσκευής χρησιμοποιήθηκαν για να στηρίξουν τον μηχανισμό που είναι υπεύθυνος για την εναλλαγή της χειρομορφίας στον ενεργό πολωτή terahertz, ο οποίος μπορεί να χειριστεί τα κύματα προσπίπτουσης x - και y ανεξάρτητα. Στο ισοδύναμο κύκλωμα του μεταμορίου (Εικ.  2α), το υπόστρωμα ζαφείρι μπορεί να μοντελοποιηθεί ως γραμμή μετάδοσης ενώ το μεταλλικό έμπλαστρο και τα σχετικά σχήματα VO 2 είναι ισοδύναμα με έναν ηλεκτρικά ελεγχόμενο διακόπτη S που έχει δύο καταστάσεις: η πρώτη κατάσταση, όταν τα μοτίβα VO 2 είναι μονωτικά, μπορεί να είναι θεωρείται ως χωρητικότητα C παράλληλα με υψηλή αντίσταση off R , ενώ η δεύτερη κατάσταση, όταν το VO 2 μετασχηματίζεται ηλεκτρικά στη μεταλλική του κατάσταση, μπορεί να μοντελοποιηθεί από χαμηλό R στην αντίσταση. Εάν δεν εφαρμόζεται τάση DC πάνω από τα μοτίβα VO 2 , ο διακόπτης S συνδέεται με τον πυκνωτή C και την αντίστασηR off . Τόσο τα κύματα προσπίπτουσης x - και y μπορούν να περάσουν μέσω του ενεργού πολωτή με ισοτρόπο ισοδύναμο κύκλωμα λόγω της συμμετρικής δομής του πολωτή. Ο πολωτής έχει τους ίδιους συντελεστές μετάδοσης (Εικ.  2 b) τόσο για τα περιστατικά κύματος πόλωσης x όσο και για τα y , όταν δεν εφαρμόζεται τάση DC. Οι συντελεστές μετάδοσης είναι κλειστοί στα 0 dB στην κεντρική συχνότητα των 380 GHz, πράγμα που σημαίνει ότι τα προσπίπτοντα κύματα μεταδίδονται πλήρως μέσω του πολωτή. Τα ένθετα σχήματα δείχνουν την ισχύ του πομπού του κύματος πολωμένου x - y . Διαπιστώνεται ότι και οι δύο μπορούν να περάσουν εύκολα μέσω του πολωτή.

Σχήμα 2

Μοντέλα κυκλώματος και συντελεστές μετάδοσης. ( α ) Σχηματικά μοντέλα μονάδας πολωτή για περιστατικά κύματα πολωμένου x και y χωρίς εξωτερική διέγερση τάσης. ( β ) Οι συντελεστές μετάδοσης για περιστατικά κύματα πολωμένου x και y χωρίς διέγερση εξωτερικής τάσης. ( γ ) Σχηματικά μοντέλα μονάδας πολωτή για περιστατικά κύματα πόλωσης x και y με διέγερση U y . ( δ ) Οι συντελεστές μετάδοσης για περιστατικά κύματα πολωμένου x - και y με διέγερση του U y . (ε ) Σχηματικά μοντέλα μονάδας πολωτή για περιστατικά κύματα πόλωσης x και y με διέγερση U x . ( στ ) Οι συντελεστές μετάδοσης για περιστατικά κύματα πολωμένου x - και y με διέγερση U x . ( ζ ) Σχηματικά μοντέλα μονάδας πολωτή για περιστατικά κύματα πολωμένου x - και y με ερεθίσματα U x και U y . ( η ) Οι συντελεστές μετάδοσης για περιστατικά κύματα πολωμένου x - και y με ερεθίσματαU x και U y .

Εικόνα πλήρους μεγέθους

Κάτω από τις εφαρμοσμένες τάσεις DC U x ή U y- υψηλότερη από την κατώτατη τάση του MIT, τα στοιχεία VO 2 θα μετατραπούν από τη μονωτική τους στις αγώγιμες καταστάσεις τους (βλ. Συμπληρωματικό υλικό Σχ. S3 και S5 ) Όταν εφαρμόζεται τάση U y στην κατακόρυφη κατεύθυνση, τα μπλε μαξιλάρια VO 2 ενεργοποιούνται στη μεταλλική κατάσταση (Εικ.  2 c) και τα πράσινα τακάκια VO 2 παραμένουν μονωτικά. Κατά συνέπεια, το ισοδύναμο κύκλωμα για το περιστατικό κύματος πολωμένου x και y είναι διαφορετικό. Για το y-polarized κύματος, ο διακόπτης συνδέει σε αυτή την περίπτωση προς την αντίσταση R για , που αντιστοιχούν στα αγώγιμα VO 2 έμπλαστρα. Ενώ, για το κύμα προσπίπτουσης x- πολωμένου, ο διακόπτης S συνδέεται στον πυκνωτή C παράλληλα με την αντίσταση R απενεργοποιημένη . Ως αποτέλεσμα, το y- πολωμένο κύμα προσβολής είναι μπλοκαρισμένο, αλλά το x- πολωμένο κύμα μπορεί να μεταδοθεί μέσω του πολωτή. Τα προσομοιωμένα αποτελέσματα των συντελεστών μετάδοσης S 21 και των κατανομών ηλεκτρικού πεδίου που αντιστοιχούν σε αυτήν την περίπτωση (Εικ.  2 d) για x - και y- Πολωτικά κύματα συμβάντων, επικυρώνουν την ανάλυσή μας Παρομοίως, όταν η τάση U x εφαρμόζεται στην οριζόντια κατεύθυνση, τα πράσινα μοτίβα VO 2 μετατρέπονται σε αγώγιμη κατάσταση και τα μπλε στοιχεία VO 2 διατηρούν τη μονωτική τους κατάσταση (Εικ.  2 ε). Το ισοδύναμο κύκλωμα στο Σχ.  2 e είναι αντίθετο από αυτό στο Σχ.  2 γ. Επομένως, το κύμα προσπίπτουσης x- πολώματος αποκλείεται και το κύμα πολωμένου y μπορεί να διέλθει (Εικ.  2 στ) του πολωτή. Τέλος, όταν και τα δύο U x και U y εφαρμόζονται ταυτόχρονα (Εικ.  2 g), VO2 μοτίβα και στις δύο κατευθύνσεις x - και y ενεργοποιούνται στη μεταλλική τους κατάσταση. Οι διακόπτες στα ισοδύναμα κυκλώματα συνδέονται με τους αντιστάτες R για (Εικ.  2 και στις δύο κατευθύνσεις, και τα δύο ζ) x - και y -polarized κύματα έχουν μετάδοση S 21 παράμετροι χαμηλότερη από -. 30 dB, όπως φαίνεται στο Σχ  2 h . Σε αυτήν την περίπτωση, η συσκευή συμπεριφέρεται ως ανακλαστήρας υψηλής απόδοσης.

Ηλεκτρομαγνητικές επιδόσεις

Η ενεργή περιοχή της κατασκευασμένης συσκευής πολωτή THz απεικονίζεται στο Σχ.  3 α μαζί με μια μεγεθυμένη εικόνα που επιτρέπει τη διάκριση των μεταλλικών στοιχείων και των αντίστοιχων προτύπων VO 2 και στις δύο κατευθύνσεις x - και y . Η συνολική τοπολογία της συσκευής μαζί με τις ιδιότητες ηλεκτρικής και θερμικής ενεργοποίησης των προτύπων VO 2 και στις δύο κατευθύνσεις περιγράφονται λεπτομερώς στο συμπληρωματικό υλικό (και τα σχετικά σχήματα S1 - S3 ).

Σχήμα 3

Μέτρηση ενός ηλεκτροκίνητου πολωτή με σχέδια VO 2 . ( α ) Οι φωτογραφίες ενός πρωτοτύπου του ενεργού πολωτή με συστοιχίες μοτίβων VO 2 συνδυασμένες με μια μήτρα μεταλλικών μπαλωμάτων. ( β ) Ρύθμιση μέτρησης που χρησιμοποιείται για την επικύρωση της απόδοσης του ενεργού πολωτή για μια μεταδιδόμενη ισχύ του κύματος προσπίπτουσης y- πόλωσης μεταξύ δύο κεραιών THz. ( γ ) Μετρημένη ισχύς μετάδοσης μεταξύ των δύο κεραιών THz με / χωρίς εφαρμοσμένες προκαταλήψεις U x και U y στον ενεργό πολωτή ( δ ) Μετρημένη ισχύς μετάδοσης μεταξύ δύο κεραιών THz με εφαρμοσμένη προκατάληψη είτε Ux ή U y στον ενεργό πολωτή.

Εικόνα πλήρους μεγέθους

Η απόδοση πόλωση του ολοκληρωμένου VO 2 συσκευή πολωτή αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας το σετ-up παρουσιάζονται στο Σχ.  3 β βασίζεται σε ένα αναλυτή δικτύου, δύο στοιχεία κατασκευής επέκτασης terahertz, ένα ελεγκτή ισχύος DC και ένα εκπομπής και μια κεραία λήψης. Ο πολωτής τοποθετείται κάθετα μεταξύ των κεραιών λήψης εκπομπής. Τα ανοίγματα των κεραιών εκπομπής και λήψης είναι ευθυγραμμισμένα πρόσωπο με πρόσωπο και με την ίδια πόλωση. Οι μετρήσεις του κατασκευασμένου πρωτοτύπου πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το y- Πολωμένα περιστατικά κύματα (Χρησιμοποιήσαμε ένα εσωτερικό διάφραγμα κυματοδηγού με μέγεθος 0,508 mm × 0,254 mm και μια κεραία κόρνας ως κεραία εκπομπής και λήψης αντίστοιχα. Η ενεργή περιοχή του πολωτή είναι αρκετά μεγάλη για να καλύψει το άνοιγμα του την κεραία εκπομπής. Όταν βάζουμε τον πολωτή μπροστά από την κεραία εκπομπής, ο πολωτής μπορεί να καλύψει εντελώς το σημείο δέσμης.). Όταν δεν εφαρμόζεται τάση πόλωσης DC στον πολωτή, το περιστατικό κύματος πολωμένου y μπορεί να περάσει μέσω του πολωτή (Εικ.  3 c) από την κεραία εκπομπής στην κεραία λήψης. Η μετρούμενη μεταδιδόμενη ισχύς (μπλε χρώμα στο σχήμα  3 c) είναι -30 dBm. Όταν τόσο το U x όσο και το U yεφαρμόζονται τάσεις μεροληψίας (υψηλότερες από τις τάσεις κατωφλίου MIT των προτύπων VO 2 ), τα κύματα προσπίπτουσης μπλοκάρονται, με αποτέλεσμα επίπεδα εκπομπής ισχύος μικρότερα από -50 dBm (κόκκινη καμπύλη στο Σχ.  3 γ). Δεδομένου ότι το προσπίπτον κύμα είναι πολωμένο στην y κατά την κατεύθυνση, δεν μπορεί να περάσει μέσα από το πολωτή αν η U y τάση πόλωσης εφαρμόζεται (μαύρη καμπύλη χρώμα στο Σχ.  3 d)? ενώ μπορεί να περάσει μέσα από τη συσκευή εάν η τάση πόλωσης U x εφαρμόζεται στα μοτίβα VO 2 προσανατολισμένα προς αυτήν την κατεύθυνση (καμπύλη κόκκινου χρώματος στο Σχ.  3ρε). Ο μέσος λόγος απόσβεσης μεταξύ των δύο ακραίων περιπτώσεων είναι περίπου - 25 dB και το εύρος ζώνης απόσβεσης (> 20 dB) είναι περίπου 16% από 330 έως 390 GHz. Το φαινόμενο απενεργοποίησης στο αποτέλεσμα που φαίνεται στο Σχ.  3 c, d οφείλεται στην απόκριση του ενισχυτή ισχύος που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα. Το εύρος του ενισχυτή ισχύος στο πείραμα έχει πτώση εξόδου και πέρα ​​από τη συχνότητα των 380 GHz. Επειδή ο πολωτής έχει συμμετρική δομή, οι αποκρίσεις του προσπίπτοντος κύματος x- πολώματος είναι παρόμοιες με τα αποτελέσματα του κύματος προσπίπτουσης y- πόλωσης. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο πολωτής μπορεί να δράσει ως μια διαφανής επιφάνεια ή μια αδιαφανή επιφάνεια τόσο σε x όσο και σε y- πολωμένα κύματα συμβάντων, ανάλογα με τις καταστάσεις (μονωτικές ή μεταλλικές) της συστοιχίας μοτίβων VO 2 . Με τον επιλεκτικό έλεγχο των τάσεων ενεργοποίησης U y και U x , ο πολωτής μπορεί να λειτουργήσει ως επιλεκτική επιλεκτική επιφάνεια και στις δύο κατευθύνσεις, ενώ έχει δομή ενός στρώματος.

Τα προσομοιωμένα μοτίβα ακτινοβολίας μακρινού πεδίου των κυμάτων THz που μεταδίδονται μέσω του πολωτή επιβεβαιώνουν τη λειτουργικότητα της ενσωματωμένης συσκευής σε συχνότητες terahertz (Εικ.  4 ). Από τις διάφορες καταστάσεις της λειτουργικής συσκευής που ενεργοποιούνται από εναλλακτικά εφαρμοσμένες τάσεις U x και U y , μπορεί να βρεθεί ότι η μέγιστη κατεύθυνση ακτινοβολίας και για τα δύο κύματα προσπίπτουσης x- και y- πολώματος είναι κατά μήκος της κατεύθυνσης z . Όταν εφαρμόζεται το U y (τα μοτίβα VO 2 τύπου μπλε χρώματος στην κατεύθυνση y στρέφονται στη μεταλλική τους κατάσταση όπως στο Σχ.  1 β), το x-Το μοτίβο της πολωμένης ακτινοβολίας δεν αλλάζει, αλλά τα κύματα περιστατικών που έχουν πολωθεί y είναι αποκλεισμένα. Αντιθέτως, όταν U x εφαρμόζεται (πράσινο-χρώμα τύπου VO 2 στρέφονται προς μεταλλικό τους κατάσταση όπως στο Σχ.  1 γ), η διάγραμμα ακτινοβολίας έχοντας χ -polarization είναι ιδιαίτερα αποικοδομείται ενώ το y -polarized μοτίβο ακτινοβολίας είναι ανεπηρέαστη. Τέλος, εάν όλα τα μοτίβα VO 2 (και στις δύο κατευθύνσεις x - και y ) στραφούν στις μεταλλικές τους καταστάσεις, τόσο τα μοτίβα ακτινοβολίας x - και y - πολώνονται.

Σχήμα 4

Σχέδια ακτινοβολίας σε μακρινό πεδίο της μεταδιδόμενης ακτινοβολίας THz μέσω του ενεργού πολωτή για διαφορετικές καταστάσεις των προτύπων VO 2 . ( α ) Τόσο τα κύματα πρόσληψης x- πολωμένα όσο και τα y- πολωμένα μπορούν να περάσουν μέσω του ενεργού πολωτή όταν όλα τα μοτίβα VO 2 βρίσκονται σε μονωτική κατάσταση. ( Β ) Μόνο x -polarized κύμα μπορεί να διέρχεται και αν το δραστικό πολωτή όταν y κατά την κατεύθυνση (μπλε χρώματος) VO 2 είναι πρότυπα ενεργοποιούνται για να μεταλλική κατάσταση. ( γ ) Μόνο το y- πολωμένο κύμα μπορεί να περάσει μέσω του ενεργού πολωτή όταν x- κατεύθυνση (πράσινο-χρώμα) VO 2τα μοτίβα ενεργοποιούνται σε μεταλλική κατάσταση. ( δ ) Τόσο τα κύματα πρόσληψης x- πολωμένα όσο και τα y- πολωμένα αντικατοπτρίζονται από τον ενεργό πολωτή όταν όλα τα μοτίβα VO 2 βρίσκονται σε μεταλλική κατάσταση.

Εικόνα πλήρους μεγέθους

Τρέχουσα και θερμική κατανομή εντός της συσκευής

Τα υλικά αλλαγής φάσης είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία. Παρόλο που χρησιμοποιούμε ηλεκτρικά ερεθίσματα για να ενεργοποιήσουμε την αγώγιμη κατάσταση των προτύπων VO 2 του πολωτή, τα ηλεκτρικά ρεύματα που διέρχονται από το VO 2 θα οδηγήσουν σε απαγωγή θερμότητας και ενδέχεται να αλλάξουν την κατάσταση των στοιχείων VO 2 στην αντίθετη κατεύθυνση. Για να αποδείξουμε ότι η θερμική κατανομή (ελέγχεται αποτελεσματικά από τα ηλεκτρικά ερεθίσματα), περιορίζεται μόνο στην επιθυμητή κατεύθυνση λειτουργίας της συσκευής, πραγματοποιήσαμε ηλεκτροθερμικές προσομοιώσεις της συμπεριφοράς της συσκευής χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Μια σχέση μεταξύ των ρευμάτων και των θερμικών κατανομών στην κατεύθυνση y του ενεργού πολωτή παρουσιάζεται στο Σχ.  5α, β. Καθώς μόνο τα κατακόρυφα ρεύματα (στην κατεύθυνση y ) ρέουν μέσω των προτύπων VO 2 , η θερμοκρασία της επιφάνειάς τους αυξάνεται προοδευτικά (Εικ.  5 b) Όταν η θερμοκρασία που διαχέεται στα πρότυπα VO 2 είναι υψηλότερη από 344 K (71 ° C), αλλάζουν από μια μονωτική κατάσταση σε μια μεταλλική κατάσταση (Εικ.  5 c). Ωστόσο, τα μοτίβα VO 2 στην ορθογώνια διεύθυνση (στην κατεύθυνση x ) παραμένουν στη μονωτική τους κατάσταση (Εικ.  5 b). Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η προσέγγιση ηλεκτρικής ενεργοποίησης είναι αποτελεσματική για την ενεργοποίηση της αγώγιμης κατάστασης του VO 2σχέδια σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, χωρίς τροποποίηση της κατάστασης του υλικού στην αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, η εφαρμοζόμενη τάση μπορεί να εφαρμοστεί ανεξάρτητα σε οριζόντια και κατακόρυφη κατεύθυνση ενσωμάτωση των VO 2 στοιχεία, εκπληρώνοντας την επιθυμητή λειτουργία του ενεργού συσκευής πολωτή THz.

Σχήμα 5

Τρέχουσα κατανομή και θερμική κατανομή του ενεργού πολωτή όταν εφαρμόζεται μεροληψία DC. ( α ) Τρέχουσα κατανομή στα μεταλλικά και τα τακάκια VO 2 όταν εφαρμόζεται το U y (τα ρεύματα διέρχονται μόνο από τα κάθετα τακάκια VO 2 ) ( β ) Θερμική κατανομή του ενεργού πολωτή όταν εφαρμόζεται το U y (τα ρεύματα μπορούν να θερμάνουν τα κατακόρυφα τακάκια VO 2 χωρίς να επηρεάσουν τα οριζόντια επιθέματα VO 2 ). ( γ ) Αγωγιμότητα VO 2 έναντι θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 344 K (71 ° C), τα έμπλαστρα VO 2 μπορούν να αλλάξουν από μονωτική κατάσταση σε μεταλλική κατάσταση.

Εικόνα πλήρους μεγέθους

Συζήτηση

Συμπερασματικά, έχουμε δείξει μια βολική μέθοδο για την ενεργοποίηση ενός μεγάλου μοτίβου συστοιχίας VO 2 ενσωματωμένου σε μια μήτρα μεταλλικών στοιχείων χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά ερεθίσματα. Η προσέγγιση παρέχει διαφορετικές ειδικές λειτουργίες για έναν ενεργό πολωτή terahertz που μπορεί να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας πόλωση τάσης σε x - και y - κατευθύνσεις. Επιπλέον, ο ενεργός πολωτής που αποδεικνύεται σε αυτό το έργο είναι αποτελεσματικός για τη δημιουργία υψηλής καθαρότητας x - ή y - πολωμένων κυμάτων με κατάλληλες επιλογές του VO 2μοτίβα ενεργοποίησης μεταξύ των μονωτικών και αγώγιμων καταστάσεων τους. Η προσέγγισή μας θα επιτρέψει την εισαγωγή ευέλικτων, γρήγορων και υψηλής απόδοσης ενεργών συσκευών terahertz που λειτουργούν με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης για μελλοντικά προσαρμοσμένα συστήματα THz (διαμορφωτές, αναδιαμορφώσιμες μετα-επιφάνειες, φακός πλάνου διεύθυνσης δέσμης).

Μέθοδοι

Κατασκευή συσκευών

Η συσκευή πολωτή κατασκευάστηκε σε περιβάλλον καθαρού δωματίου με τυποποιημένες διαδικασίες φωτολιθογραφίας και εναπόθεσης χρησιμοποιώντας μια διαδικασία δύο επιπέδων μάσκας. Πρώτον, ελήφθη ένα στρώμα VO2 πάχους 200 nm σε υπόστρωμα ζαφείρου πάχους 100 μm χρησιμοποιώντας αντιδραστική εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων ενός στόχου βαναδίου σε ατμόσφαιρα οξυγόνου 31 , 32 . Τα στοιχεία VO 2 σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας μια λιθογραφικά καθορισμένη μάσκα φωτοαντίστασης και μια διαδικασία υγρής χάραξης. Οι εν συνεχεία αποτίθενται μεταλλικά μοτίβα (40 / 1,000-nm πάχους διπλοστοιβάδες Ti / Au) που χωρίζει αυτές τις VO 2 επιθέματα λήφθηκαν με εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων των αντίστοιχων μεταλλικών στοιχείων και ένα στάδιο οπτική λιθογραφία χρησιμοποιώντας τον ανελκυστήρα-off μέθοδο.

Μεθοδολογία προσομοίωσης

Οι αρχικές διαστάσεις των πολωτών περιλαμβάνουν την περίοδο και ο συντελεστής πλήρωσης μπορούν να επιλεγούν σύμφωνα με την αναφορά 38 . Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια προσομοίωση πλήρους κύματος χρησιμοποιώντας το εμπορικά διαθέσιμο Ansys HFSS για τη βελτιστοποίηση της απόδοσής του. Στις αρχικές προσομοιώσεις, το υλικό VO 2 μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τέλειο επίπεδο Ε για τη μείωση του υπολογιστικού φορτίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχεδιασμού, αλλά η πραγματική δομή συμπεριλήφθηκε στις τελικές προσομοιώσεις πλήρους κύματος. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις θέρμανσης Joule χρησιμοποιώντας το COMSOL Multiphysics. Το υπόστρωμα ζαφείρι που χρησιμοποιήσαμε σε αυτό το πείραμα και στις συναφείς ηλεκτρομαγνητικές και πολυ-φυσικές προσομοιώσεις είναι ένα c-cut Al 2 O 3 με ανισοτροπικές ηλεκτρομαγνητικές και θερμικές ιδιότητες. Έχει διαπερατότηταε x  = 9.3, ε y  = 9.3 (εντός του επιπέδου επιφάνειας του υποστρώματος, κάθετα προς τον άξονα C) και ε z  = 11.5 (παράλληλα με τον άξονα C) και εφαπτομένη απώλειας 10 –4 . Για τις θερμικές ιδιότητες που χρησιμοποιούνται στις προσομοιώσεις πολλαπλών φυσικών, χρησιμοποιήσαμε θερμικές αγωγιμότητες (στα 300 K) 25 W / (m * x * K) για την κατεύθυνση κάθετη στον άξονα C και των 23 W / (m * x) * K) για την παράλληλη κατεύθυνση προς τον άξονα C.