유전체 메타표면을 통한 확장된 대역폭으로 완벽한 테라헤르츠 편광 제어

결과 및 토론

편광 제어의 성능을 검증하기 위해 실리콘 기둥 어레이를 제작하고 테라헤르츠 시간 영역 분광기(THz-TDS)에서 특성화했습니다. 제작 과정은 방법 섹션에서 찾을 수 있습니다. 얇은 붕규산 유리(BF33, 두께 300μm)가 기판으로 선택됩니다. 270°위상 지연이 있는 설계에 대한 일반적인 샘플의 SEM 이미지는 확대 이미지가 삽입된 기울어진 보기로 그림 1c에 표시됩니다. 메타표면의 성능을 특성화하기 위해 실리콘 기둥의 장축과 장축을 따라 전송된 테라헤르츠파의 전기장은 \(\overline{E}_{x}\) 및 \(\overline{E} _{와이}\). 노출된 유리 기판은 \(\overline{E}_{x({\rm ref})}\) 및 \(\overline{E}_{y({\ rm 참조})}\). 투과 계수는 \(\overline{t}_{x} =\overline{E}_{x} /\overline{E}_{x({\rm ref})}\) 및 \(\ overline{t}_{y} =\overline{E}_{y} /\overline{E}_{y({\rm ref})}\). 두 개의 직교 편광 사이의 위상 지연이 계산되어 \(\varphi =\varphi_{y} - \varphi_{x} =\arg (\overline{t}_{y} ) - \arg (\overline{t)로 표시됩니다. }_{x} )\). 측정 시스템에 대한 자세한 내용은 방법 섹션에서 확인할 수 있습니다.

유전체 메타표면의 측정된 투과 계수와 위상 지연은 그림 2b에 나와 있습니다. 볼 수 있듯이 P90, P135, P180, P225 및 P270의 경우 설계된 주파수 범위 내에서 높은 투과 계수가 얻어지며 해당 위상 지연은 90°, 135°, 180°, 225° 및 270°에 가깝습니다. , 각각. 시뮬레이션된 결과와 측정된 결과 사이에 약간의 불일치가 관찰될 수 있으며, 이는 제조 공정 중 크기 변동에서 기인할 수 있습니다. 메타 표면의 표면 거칠기는 추가 손실을 가져오고 전송 계수를 감소시키는 또 다른 문제일 수 있습니다[30]. 또한, 손실 및 반사를 포함한 기판 효과는 추가 파일에서 자세히 설명됩니다(추가 파일 1:그림 S2 참조). 그럼에도 불구하고 측정된 결과와 시뮬레이션된 결과 사이의 유사한 변화 경향은 분극 제어를 위한 유전체 메타표면의 성능을 검증합니다.

메타표면에서 편광 변환의 성능을 완전히 조사하기 위해 전송된 파동의 타원도가 계산되었으며, 이는 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 S ₀ 그리고 S ₃ 전송 계수와 위상 지연을 기반으로 직접 계산할 수 있는 Stokes 매개변수[29]입니다. 그림 3과 같이 시뮬레이션 결과는 1에서 − 1까지의 타원율을 완전히 커버하며 일반적으로 1.2–1.3 THz에 가까운 편광 변환 성능은 시뮬레이션과 실험 결과 모두에서 유사한 변화 경향을 보여줍니다. 일부 불일치는 약 1.4THz에서 발생하며 이는 두 가지 측면에서 기인할 수 있습니다. 첫째, 시뮬레이션에서 기판은 두께가 무한대인 무손실 재료로 취급되는 반면, 실험에서는 기판이 300μm 두께의 명백한 손실을 가지고 있습니다. 이러한 손실은 높은 Q 공명(예:1.4THz에서 MD)을 제거하고 전송 스펙트럼을 평평하게 만듭니다. 둘째, 실험에서 공진기의 기하학적 매개변수는 시뮬레이션에서 정의된 것과 비교하여 다양합니다. 일반적인 예는 높이에 따라 점차적으로 변하는 기둥의 너비이며, 이는 제조 시 깊은 반응성 이온 에칭 공정에 기인합니다. 이러한 기하학적 매개변수 변화는 다중극을 넓히고 중첩을 증가시켜 개별적인 high-Q 중첩 및 간섭으로 인해 공진이 악화됩니다. 간단히 말해서, 실험에서 기질 효과와 기하 매개변수 변화는 집합적으로 약 1.4THz에서 시뮬레이션의 것과 비교하여 불일치를 초래합니다. 이러한 불일치는 두께가 작은 저손실 기판(예:석영, 폴리이미드, SU8)을 선택하고 시뮬레이션된 매개변수와 관련하여 제조 프로세스를 최적화하여 더욱 최소화할 수 있습니다. 또한 작동 주파수는 일반적으로 공진이 아닌 주파수로 설계되었으므로 high-Q의 열화에 약하게 영향을 받습니다. 공명.

아 시뮬레이션 및 b 다른 유전체 메타표면의 실험적으로 측정된 타원율

유전체 메타표면의 다중극 간섭을 설명하기 위해 서로 다른 다중극의 산란 단면적(SCS)은 두 개의 직교 편광 방향에 대한 구형 다중극 분해에 의해 계산됩니다[19, 24]. 다중극 분해에 대한 자세한 내용은 방법 섹션에서 찾을 수 있습니다. 그림 4는 x에서 다양한 유전체 메타표면의 계산된 SCS를 보여줍니다. - 그리고 y - 양극화 발생. 먼저 P90의 경우 자기 쌍극자(MD) 공진이 x에서 1.4THz의 전체 SCS에 기여합니다. -편광 입사, 반면 y -편광은 주로 1.18THz에서 발생합니다. 약 1.42THz의 더 높은 주파수 영역에서 전기 쌍극자(ED), 전기 사중극자(EQ) 및 자기 사중극자(MQ) 구성 요소는 y 아래의 SCS에 분명한 기여를 나타냅니다. -편광된 빛. x 아래의 SCS를 비교할 때 - 그리고 y - 편광 입사, 1.2~1.3THz 사이의 중첩 영역에서 공진이 없는 조건은 높은 전송 계수를 보장하는 반면, 서로 다른 다중극자 간의 간섭은 두 개의 직교 편광 방향에 대해 서로 다른 위상 분산 곡선을 들어 올립니다. 서로 다른 다중극 사이의 적절한 균형으로 높은 전송 계수와 확장된 대역폭을 갖는 특정 위상 지연이 달성될 수 있으며, 이는 우리의 경우 90°의 위상 지연에 해당합니다. P135, P180 및 P225의 경우 ED, MD, EQ 및 MQ의 기여는 공진 주파수 및 모드 중첩의 미묘한 변화로 P90의 경우와 유사한 변동 경향을 나타내며, 이는 다중 극성 간섭의 기능을 명확하게 보여줍니다. 편광 제어. 이에 반해 P270의 경우 270°의 위상지연은 넓은 대역에서 높은 투과율을 갖는 거대한 위상분산을 필요로 하며, 이는 공진이 없는 상태에서는 거의 구현되지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해 우리는 P270 케이스에 대한 공명 조건을 설계합니다. x 아래 -편광 입사, ED, MD 및 MQ의 공진 모드는 1.2~1.3THz 사이의 SCS에 대한 명백한 기여를 보여줍니다. y 아래 - 편광 입사, MD 공진은 1.39THz에서 우세합니다. 따라서 다극 간섭 효과는 270° 위상 지연으로 광대역에서 높은 전송을 유도합니다.

a에서 ED, MD, EQ 및 MQ 공진에 대한 SCS의 다중극 분해 x - 및 b 예 -편극 발생

기존의 다른 디자인과 비교하여 우리가 제안한 디자인은 완전한 테라헤르츠 편광 제어를 위한 단일 레이어 플랫폼을 가능하게 합니다. 더 중요한 것은, 우리 설계의 위상 지연이 90°에서 270°로 변경될 수 있으며, 이는 기존의 다른 설계에서는 달성하기 어려운 원형 편광, 타원 편광 및 교차 선형 편광을 포함한 다양한 편광 상태를 포함한다는 것입니다(표 1). . 한편, 우리 디자인의 대역폭과 효율성은 기존의 다른 단일 레이어 디자인을 능가할 수 있습니다. 비록 다층 설계가 우리 설계에 비해 더 나은 성능을 나타내지만, 이러한 다층 메타 구조는 복잡한 설계 및 제조 공정을 필요로 하며, 이는 소형 ​​테라헤르츠 광학 시스템에서의 적용을 제한한다는 점에 유의해야 합니다. 또한 대부분의 다층 설계는 단일 편광 변환 기능으로 제한된 위상 지연을 달성하는 반면 당사의 설계는 다양한 편광 변환을 실현합니다.