CN110265789A - 一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面 - Google Patents

一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹波功能器件、电磁通信领域，具体为一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面。本发明通过引入多阶相位调制因子使得在线性极化太赫兹平面波入射下，能够实现对称和非对称的高阶涡旋光束的产生，根据出射角的不同，灵活选择相位分布，具有很强的可操作性；全介质硅的选择也极大地避免了金属中存在的欧姆损耗问题，进一步地提高了能量利用率，在进一步改善通信容量，在毫米波、太赫兹波频段利用轨道角动量实现高速率、多轨道角动量模态复用、高频谱利用率通信具有很好的现实意义。

Description

一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面
技术领域
本发明属于太赫兹波功能器件、电磁通信领域，具体为一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面。
背景技术
涡旋波束是一种特殊的拥有螺旋型相位波前和相位奇点的波束，波束中心振幅为零，形成暗中空的波束。对于不同拓扑荷值l的波束，其与旋转方位角φ有关的相位因子exp(ilφ)决定了波束在传播过程中围绕相位奇点表现出螺旋型相位波前特性，并且携带非零轨道角动量(OAM)。轨道角动量与自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)不同，自旋角动量只有两种模式：左旋圆极化模式与右旋圆极化模式(模式数分别对应于-1与1)。而不同的是，轨道角动量具有无穷多的本征态，每一个OAM态可由拓扑电荷(topological charge)值l确定，可取任意的整数值。同时，这些不同OAM态的电磁波两两正交，且能够在独立传输的过程中使相位结构保持稳定。在一个固定的频带范围内，利用轨道角动量这一新技术可以实现无限多的信号传输。同时，轨道角动量表现出的电磁兼容性良好。因此，电磁波轨道角动量这一新技术的应用，给当下频谱资源紧缺的问题给出了有效的解决方案，有望使得通信系统的容量获得极大的提高。
OAM涡旋电磁波已引起了国内外研究学者们的广泛关注，在微波射频波段产生涡旋电磁波包括螺旋相位板、螺旋反射面和环形阵列天线等方法。而在太赫兹波频率范围，尺寸的急剧小型化使得传统的大尺寸螺旋相位板、反射面不再适用；传统相控阵列天线，需要设计复杂的馈电网络，特别是在相移器仍然十分昂贵的今天，制作产生OAM涡旋电磁波的环形阵列天线需要很高的制作成本，当需要产生高阶态的OAM涡旋电磁波时，需要更多的天线阵元，这无疑增加了天线系统的复杂度，不利于大规模推广。
超表面，是一种二维单层结构的超材料，具有超薄，体积小的优势，它的提出使得超材料可以用来设计超薄的元器件，更便于集成和应用。介质超材料是近几年被提出并广泛应用的一种人工材料，它完全由介质构成，介质材料中没有自由移动的电子，因而介质中不存在欧姆损耗的问题，且介质损耗也可通过恰当选择介质类型而消除或减弱，所以在提高电磁波效率上有广泛的应用价值。
基于全介质超表面超表面成为了太赫兹光电子器件领域一个重要的方向，超表面透镜，分束器，涡旋光束产生器等器件都相继被报导。然而，目前全介质超表面对太赫兹波的调控大多数是基于几何相位或共振相位等调控方式，这使得全介质超表面对太赫兹波调控相对单一，不够灵活。特别是近年来，涡旋波束产生器件在通信领域的潜在应用价值，将多种相位调制因子结合起来，在对称涡旋波束基础上实现非对称以及多角度散射的涡旋波束，不仅对太赫兹波多功能调控上有着巨大意义，特别是在未来的多阶涡旋波束通信上提高自由空间的散射维度，一方面由于多个正交信道信息传输来提高频谱利用率；另一方面，多角度的散射波束有效地增加覆盖范围，对未来构建太赫兹信息传输有着广阔的应用前景。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有全介质超表面对太赫兹波调控相对单一、不够灵活的问题，本发明提供了一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，在提高效率的基础上，结合多阶相位因子使得超表面对太赫兹波调控更为灵活，有效解决调控单一等问题。本发明具有体积小、加工技术成熟、成本低廉等特点。在本发明中仅以垂直于超表面方向为参考线，出射角度以及拓扑电荷数共轭对称的±1阶涡旋光束和出射角度非对称的共轭±2阶涡旋光束为例，实现了共轭涡旋光束出射角度可以灵活调控等技术。
本发明技术方案如下:
一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，由移相单元结构以阵列排布组成。
所述移相单元结构包括上下两层硅介质，下层硅介质为边长100～200um的方块，作为衬底；上层硅介质为厚度160～360um的柱状微结构；移相单元结构的总厚度为400～600um；各柱状微结构以其水平中心旋转满足该位置相位需求；所述柱状微结构的平面图形为椭圆形、矩形、U型或/和L型。柱状微结构相位变化慢的方向慢轴，相位变化快的方向作为快轴，两轴相互正交，柱状微结构在两个正交方向的相位相差180°。
各移相单元结构以其单元中心旋转柱状微结构满足相位分布需要，相位覆盖0～2π，太赫兹入射平面波沿x方向极化，并且垂直于该超表面入射。
进一步的，所述柱状微结构的物理中心投影与下层硅介质的物理中心重合。
所述移相单元结构的柱状微结构满足相位分布需要的规则为：根据3阶相位因子叠加，按照象限角分成N份，分别实现出射角度为±0～90°的共轭对称的±l1阶涡旋光束和出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l2阶涡旋光束,l1、l2分别为拓扑电荷值；所述3阶相位因子为分束相位因子、涡旋相位因子和背景梯度相位因子。
其设计方法具体如下：
步骤1、首先引入第1阶分束相位因子，n个单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，n≥2，且n为整数；柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n,…(n-1)*180°/n，可获得两束共轭的左右旋波束，并且获得调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、-2*180°/n、-2*2*180°/n、-2*3*180°,…-2*(n-1)*180°/n，相位覆盖0～2π，出射角为±0～90°；
步骤2、在步骤1的基础上引入涡旋相位因子，实现±l1阶共轭对称的涡旋光束；按照象限角超表面均匀分成N1份，N1为象限划分份数，且N1为正整数；相位按照环形以2π/N1梯度递增排布，相位覆盖0～2π，故而在前述的基础上柱状微结构根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，旋转角度总是为象限角相位分布的一半，最后实现出射角度为±0～90°的共轭对称的±l1阶涡旋光束。
步骤3、另外，为了实现共轭非对称±l2阶涡旋光束，需要引入第3阶背景梯度相位因子，而第3阶相位因子通过n个与前述类似的大小不同的柱状微结构来实现。由于第3阶背景梯度相位因子引入，n个单元结构获得初始相位分别为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n；
步骤4、在步骤3的基础上，引入第1阶分束相位因子，n个单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n/2、2*180°/n/2、3*180°/n/2…,(n-1)*180°/n/2，可获得两束共轭的左右旋波束，而第1阶分束相位因子获得调制相位为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n和0°、-180°/n、-2*180°/n、-3*180°/n…,-(n-1)*180°/n；
步骤5、在步骤3、4基础上，由第3阶背景梯度相位因子和第1阶分束相位因子获得的调制相位叠加，最后获得叠加后的调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、0°、0°、0°，故而实现出射角为0～90°和0°左右旋波束；
步骤6、最后在步骤5基础上，引入涡旋相位因子，实现±l2阶共轭对称的涡旋光束。按照象限角超表面均匀分成N2份，N2为象限划分份数，相位按照环形以4π/N2梯度递增排布，相位覆盖0～4π，故而在上述的基础上柱状微结构矩形块根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，实现出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l2阶涡旋光束。
本发明通过引入多阶相位调制因子使得在线性极化太赫兹平面波入射下，能够实现对称和非对称的高阶涡旋光束的产生，根据出射角的不同，灵活选择相位分布，具有很强的可操作性；全介质硅的选择也极大地避免了金属中存在的欧姆损耗问题，进一步地提高了能量利用率，在进一步改善通信容量，在毫米波、太赫兹波频段利用轨道角动量实现高速率、多轨道角动量模态复用、高频谱利用率通信具有很好的现实意义。
附图说明
图1为±1阶对称涡旋光束全介质硅超表面立体示意图。
图2为±1阶对称涡旋光束全介质硅超表面平面示意图。
图3为±1阶对称涡旋光束远场示意图。
图4为±1阶对称涡旋光束远场俯视图。
图5为±1阶对称涡旋光束远场相位示意图。
图6为±1阶对称涡旋光束远场相位俯视图。
图7为±1阶对称涡旋光束远场散射图。
图8为±1阶对称涡旋光束电场y分量近场强度分布图。
图9为±1阶对称涡旋光束电场y分量近场相位分布图。
图10为±2阶非对称涡旋光束全介质硅超表面立体示意图。
图11为±2阶非对称涡旋光束全介质硅超表面平面示意图。
图12为±2阶非对称涡旋光束远场示意图。
图13为±2阶非对称涡旋光束远场相位示意图。
图14为±2阶非对称涡旋光束远场散射图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
通过合理地引入3阶相位调制因子，实现了出射角度为±34°的共轭对称的±1阶涡旋光束和出射角度为0°、34°的共轭非对称±2阶涡旋光束。
实施例一：作为本发明方案所述的柱状微结构为矩形，长边60～80um，短边15～35um，透射率超过80％。
如图1和2所示，本实施例的单元周期为110um(下层硅介质方块的边长110um)，下层硅介质厚度为240um，通过离子束刻蚀的加工技术实现；矩形柱状微结构选取长边70um，短边24um，厚度160um。该矩形块能以单元中心旋转满足相位分布需要，透射率超过80％，相位可覆盖0～2π，且每个单元结构大小保持不变。四个微单元结构通过旋转一定角度作为一个周期沿着x轴方向分布，超表面整体按照象限角均匀分成8份，相位按照环形以45°梯度递增排布。
如图3和4所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场图，图3可以看到出射的两束波束以z轴(垂直于超表面方向)成对称分布。
如图5和6所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场相位分布图，图6清楚地显示出波束按照0～2π成环形分布，图5显示的两波束分别按照0～2π顺时针和逆时针成环形分布，可以推测产生了±1阶对称分布的涡旋光束。
如图7所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场散射分布图，可以清楚地看到涡旋波束出射角为±34°，进一步地验证了共轭±1阶涡旋光束对称性。
如图8和9所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的Ey方向近场分布图，该近场测试沿着涡旋波束的出射方向，距离超表面约15个波长，电场强度分布图已经归一化，可以看到透射率超过80％，电场相位分布图也与远场相位分布图相统一。
实施例二：
如图10和11所示，本实施例的全介质硅太赫兹涡旋超表面与上述类似。矩形柱状微结构选取的长边分别为70um、70um、70um、76um，短边分别为24um、36um、30um、41um，该矩形块能以单元中心旋转满足相位分布需要，透射率超过80％，相位可覆盖0～2π，四个单元结构通过旋转一定角度作为一个周期沿着x轴方向分布，超表面整体按照象限角均匀分成16份，相位按照环形以45°梯度递增排布。
如图12所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场图，可以看到出射的一束波束沿z轴透过，另一束以z轴为参考，以一定出射角度透过，可以看出两波束非对称分布。
如图13所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场相位分布图，可以清楚地显示出波束按照两个0～2π成环形分布，两波束分别顺时针和逆时针成环形分布，可知产生了±2阶对称分布的涡旋光束。
如图14所示，给出了本实施例全介质硅太赫兹涡旋超表面仿真的远场散射分布图，可以清楚地看到涡旋波束出射角为0°和34°，进一步地验证了共轭±2阶涡旋光束非对称性。
通过以上实施例可见，本发明通过引入多阶相位调制因子使得在线性极化太赫兹平面波入射下，能够实现对称和非对称的高阶涡旋光束的产生，根据出射角的不同，灵活选择相位分布，具有很强的可操作性；全介质硅避免了金属中存在的欧姆损耗问题，在提高效率的基础上，结合多阶相位因子使得超表面对太赫兹波调控更为灵活，有效解决太赫兹波调控单一等问题。

Claims (5)

1.一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，由移相单元结构以阵列排布组成，其特征在于：
所述移相单元结构包括上下两层硅介质，总厚度为400～600um；下层硅介质的平面图形为边长100～200um的正方形，作为衬底；上层硅介质为厚度160～360um的柱状微结构；各柱状微结构以其水平中心旋转满足该位置相位需求，柱状微结构相位变化慢的方向作为慢轴，相位变化快的方向作为快轴，两轴相互正交，柱状微结构在两个正交方向的相位相差180°；
各移相单元结构通过在水平方向以柱状微结构的物理中心旋转柱状微结构满足相位分布需要，相位覆盖0～2π，太赫兹入射平面波沿x方向极化，并且垂直于该超表面入射。
2.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，其特征在于：所述移相单元结构的柱状微结构满足相位分布需要的规则为：根据3阶相位因子叠加，按照象限角分成N份，分别实现出射角度为±0～90°的共轭对称的±l1阶涡旋光束和出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l2阶涡旋光束,l1、l2分别为拓扑电荷值；所述3阶相位因子为分束相位因子、涡旋相位因子和背景梯度相位因子。
3.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，其特征在于：所述柱状微结构的平面图形为椭圆形、矩形、U型或/和L型。
4.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，其特征在于：所述柱状微结构的物理中心投影与下层硅介质的物理中心重合。
5.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，其设计方法具体如下：
步骤1、首先引入第1阶分束相位因子，n个单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，n≥2，且n为整数；柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n,…(n-1)*180°/n，可获得两束共轭的左右旋波束，并且获得调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、-2*180°/n、-2*2*180°/n、-2*3*180°,…-2*(n-1)*180°/n，相位覆盖0～2π，出射角为±0～90°；
步骤2、在步骤1的基础上引入涡旋相位因子，实现±l1阶共轭对称的涡旋光束；按照象限角超表面均匀分成N1份，N1为象限划分份数，且N1为正整数；相位按照环形以2π/N1梯度递增排布，相位覆盖0～2π，故而在前述的基础上柱状微结构根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，旋转角度总是为象限角相位分布的一半，最后实现出射角度为±0～90°的共轭对称的±l1阶涡旋光束。
步骤3、另外，为了实现共轭非对称±l2阶涡旋光束，需要引入第3阶背景梯度相位因子，而第3阶相位因子通过n个与前述类似的大小不同的柱状微结构来实现。由于第3阶背景梯度相位因子引入，n个单元结构获得初始相位分别为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n；
步骤4、在步骤3的基础上，引入第1阶分束相位因子，n个单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n/2、2*180°/n/2、3*180°/n/2…,(n-1)*180°/n/2，可获得两束共轭的左右旋波束，而第1阶分束相位因子获得调制相位为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n和0°、-180°/n、-2*180°/n、-3*180°/n…,-(n-1)*180°/n；
步骤5、在步骤3、4基础上，由第3阶背景梯度相位因子和第1阶分束相位因子获得的调制相位叠加，最后获得叠加后的调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、0°、0°、0°，故而实现出射角为0～90°和0°左右旋波束。
步骤6、最后在步骤5基础上，引入涡旋相位因子，实现±l2阶共轭对称的涡旋光束。按照象限角超表面均匀分成N2份，N2为象限划分份数，相位按照环形以4π/N2梯度递增排布，相位覆盖0～4π，故而在上述的基础上柱状微结构矩形块根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，实现出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l2阶涡旋光束。
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