登陆|港城大科学家通过折叠超表面实现6G通信的关键器件突破
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随着 5G 的大规模商用展开 ， 现在世界各国都在加紧 6G 技术的开发与论证 。 因为频谱资源的日益枯竭和高通信带宽与速率的要求 ， 太赫兹更在被人们视为下一代通信技术的重要波段 。
2019 年 3 月 15 日 ， 美国联邦通讯委员会（FCC ， Federal Communications Commission）一致投票通过开放“太赫兹波”频谱的决定 ， 将该频段用于 6G 服务 。 2022 年 1 月 4 日 ， 紫金山实验室副主任尤肖虎教授在 360-430GHz 太赫兹波段实现了高达 100/200Gbps 无线传输通信实验系统 。
随着太赫兹通信技术的快速发展 ， 针对太赫兹波段的功能器件需求日益增多 。 近日 ， 来自香港城市大学电子工程系的陈志豪教授团队设计和制作了一种紧凑、高效的太赫兹介质折叠超表面 ， 并通过与该校彭慧芝教授团队合作实现了复杂器件的微纳制造 ， 并进行了详细的实验验证 。
其中 ， 陈教授团队的吴耿波博士主要负责超表面的理论设计与仿真；彭教授团队的朱述炎博士 ， 现为中山大学微电子科学与技术学院副教授 ， 主要负责超表面天线的加工和制备 。
研究表明 ， 这种折叠式超表面器件可以显著减少太赫兹源到超表面组件的传播空间 ， 实现高效率辐射 。 该新型超表面结构可作为一种紧凑的高增益太赫兹准直器 ， 在未来的 6G 无线通信中具有广阔的应用前景 ， 相关论文发表在国际光学权威杂志 Advanced Optical Materials ， 并作为封面文章被编辑推荐[1] 。
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图丨从左至右依次为：CHAN CH、PANG Stella、WU Gengbo、Zhu Shuyan（来源：资料图）
陈教授表示 ， 6G 技术研究中之所以选择太赫兹波 ， 是因为其具有带宽宽、不电离、能对各种材料进行指纹识别等优点 ， 因而在各种应用中具有广泛的应用前景 ， 包括超高速无线通信、无损检测、安全筛查和医疗成像等 。
虽然太赫兹通信系统受益于超表面具有灵活的波前操作能力 ， 但目前还存在着诸多问题 。 例如太赫兹源与超表面组件之间的传播距离 ， 这决定着太赫兹通信系统的整体体积 。 其次 ， 由于太赫兹源的输出功率远低于光学和微波频段 ， 高效的光束控制对太赫兹超表面至关重要 。 以及超表面的固有损耗, 目前已经成为阻碍超表面太赫兹器件成为一种实用技术的主要瓶颈 。
因此陈教授和彭教授团队通过在太赫兹波段下构建一种紧凑、高效的折叠超表面系统来解决上述两个问题 。 该器件包括两个平行的介电型超表面 ， 通过约束太赫兹波束以减小系统体积 ， 并且该器件可以生成准直光束并在不必要的方向实现功率辐射最小化 。
值得一提的是 ， 这是人们首次使用介质谐振器实现折叠超表面 ， 并且在该器件中采用非色散的高电阻率硅作为超表面单元结构材料 ， 这对实现低损耗至关重要 。 彭教授表示 ， 相较于加工传统金属材料造成的不规则表面耗散来说 ， 介质材料可以大大改善该情况 。 吴博士也表示 ， 介质材料随着其低损耗特点现在越来越被科研人员所重视 。
简单来说 ， 该器件含有非常巧妙设计的两层介质超表面 ， 如下图展示的是该折叠超表面器件的结构 。 其中顶部超表面是选用的介质布拉格结构设计而不是损耗极大的金属超表面 ， 可以让 u 方向和 v 方向极化入射的太赫兹波进行高效率和低损耗的反射和透射；其中底部反射超表面由各向异性介质谐振器阵列组成 ， 可以实现两种不同的功能：一是通过相位控制以产生准直反射光束 ， 将入射电场极化旋转 90 度 ， 即实现太赫兹波的 u 偏振入射场到反射的 v 偏振反射场 ， 使其可以顺利通过顶部超表面辐射到自由空间 。
这种双功能的超表面设计充分结合了超表面的优势 ， 除了实现偏振角度变化外通过构造相位梯度变化代替传统透镜方式单一调控方式 ， 实现更多维度的波束调制潜力 。 折叠超表面器件可直接用作太赫兹无线通信天线 ， 实现太赫兹波的发射和接收 。
陈教授团队与彭教授团队进行深入合作 ， 凭借多年的先进微纳制造经验 ， 通过 DRIE（deep reactive ion etching ， 反应离子刻蚀）系统使用等离子体处理硅晶片 ， 然后通过大规模微纳制造工艺中光刻工艺和掩模蚀刻技术 ， 可以实现超表面单元结构和整体阵列排布的快速制造 。 这对于未来该器件的商业化铺展了道路 ， 该器件可快速实现生产 ， 并与其他集成电路进行集成制造 。
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陈教授团队与彭教授团队进行深入合作 ， 凭借多年的先进微纳制造经验 ， 通过 DRIE（deep reactive ion etching ， 反应离子刻蚀）系统使用等离子体处理硅晶片 ， 然后通过大规模微纳制造工艺中光刻工艺和掩模蚀刻技术 ， 可以实现超表面单元结构和整体阵列排布的快速制造 。 这对于未来该器件的商业化铺展了道路 ， 该器件可快速实现生产 ， 并与其他集成电路进行集成制造 。
陈教授团队与彭教授团队进行深入合作 ， 凭借多年的先进微纳制造经验 ， 通过 DRIE（deep reactive ion etching ， 反应离子刻蚀）系统使用等离子体处理硅晶片 ， 然后通过大规模微纳制造工艺中光刻工艺和掩模蚀刻技术 ， 可以实现超表面单元结构和整体阵列排布的快速制造 。 这对于未来该器件的商业化铺展了道路 ， 该器件可快速实现生产 ， 并与其他集成电路进行集成制造 。
【登陆|港城大科学家通过折叠超表面实现6G通信的关键器件突破】
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来源：Advanced Optical Materials）
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图丨微纳制造工艺实现两层同的超表面单元结构制造（来源：Advanced Optical Materials）
陈教授团队还通过测试验证了该紧凑高效的折叠太赫兹超表面器件性能 ， 通过测试发现该折叠超表面器件可以在 1THz 下实现高达 90% 的转换效率和 33.4dB 的增益 ， 并且通过相位控制实现半功率波束宽度可以压制到 2.3 度 。 实验证明该器件的优良性能有望应用于多种场合如高速太赫兹通信、无损检测、和成像系统 ， 显著减少系统体积并增加辐射效率 。
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图丨香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室测试平台（来源：Advanced Optical Materials）
这种紧凑、高效和高增益的设备可以有各种潜在的应用 ， 除了应用于未来 6G 无线通信 ， 非常易于集成到手机这种最常用的通信设备 ， 陈教授表示 ， 该器件作为一种波导结构也可以应用于波束调制和变换 ， 同时其优秀的波束调制能力还可以应用于太赫兹成像等场景 。 彭教授补充道 ， 这个器件在太赫兹或者光纤通信中作为调制器件有着更加深远的应用潜力 。
陈志豪教授和彭慧芝教授团队都来自于香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室 ， 是香港首家在工程领域的国家重点实验室 。 该实验室于 2008 年建立并与东南大学毫米波国家重点实验室建立友好合作关系 ， 并一直深耕于微波、毫米波以及太赫兹波领域的计算电磁学、天线设计以及功能器件制造和测试等研究领域 。
-End-
参考 ：
1.Zhu S Y, Wu G B, Pang S W, et al. Compact Terahertz Dielectric Folded Metasurface[J]. Advanced Optical Materials,2022, 10(3): 2101663.
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