南京大學科研團隊開發平面太赫茲光子元件

2020-12-05 訊石光通訊網

現代工學院胡偉、陸延青團隊開發平面太赫茲光子元件

  ICCSZ訊 最近，（南京大學）現代工學院胡偉、陸延青團隊利用光控取向的液晶聚合物柔性薄膜開發出多功能平面太赫茲光子元件，提供了一種太赫茲波前調控的全新解決方案。該成果以Planar terahertz photonics mediated by liquid crystal polymers為題，於2020年2月5日在線發表在《先進光學材料》上(Adv. Opt. Mater. 2020, 1902124)。

  高速無線通信極大地促進了我們的日常工作與生活。太赫茲(THz)波段的載波頻率比目前採用的射頻波段高得多，被認為是未來大容量無線通信的載體。然而，與光頻或射頻波段相比，許多太赫茲技術還遠不夠成熟。太赫茲頻段超過了電學放大器和混頻器中所必不可少的半導體材料的截止頻率，致使當前廣泛採用的射頻電子元件不再兼容太赫茲波段。面對這一挑戰，科學家開始研究基於光子學的解決方案。近年來，基於超表面的平面太赫茲光子元件由於可以自由地調控太赫茲波前而引起關注，但其內在的歐姆損耗導致效率太低。介質超表面和多層金屬超表面有望顯著提高效率，但其設計製造的複雜性限制了實際應用。為了滿足未來太赫茲通信的迫切需求，開發結構簡單、低損耗、多功能的太赫茲光子元件勢在必行。

  針對這一挑戰，該研究團隊基於光控取向液晶聚合物薄膜，提出了一種全新的平面太赫茲光子學解決方案。這類元件通過預設液晶聚合物的晶軸向來實現對透過太赫茲加載上幾何相位調製。基於該原理，文章展示了多種太赫茲光子元件，如：波片、光束偏折器、透鏡、貝塞爾以及渦旋光產生器;實現了一系列適用於太赫茲無線通信的基本功能驗證，包括：偏振控制、波束掃描、波束賦形和OAM模式復用等。此外，液晶聚合物薄膜的柔性賦予了這類元件機械形變引起的可調諧性。在該工作中，液晶指向分布直接決定了元件的相位調製功能。因此只需直接對樣品進行光取向編碼，無需複雜的模擬仿真和結構參數優化;液晶聚合物材料及其旋塗和取向技術成熟，為該類元件的大規模生產提供了保證;通過改變膜厚可以優化目標頻率下的效率，該類元件在0.4-3 THz的寬帶範圍內，展示出了超過50%的效率;光取向液晶聚合物薄膜還可以用作其它太赫茲元件的襯底，從而通過集成進一步降低太赫茲裝置的損耗;通過機械變形，賦予這些微結構平面太赫茲光子元件可調諧特性，這對於動態光束轉向、多通道光束耦合、波束賦形具有重要意義。該工作為設計製備各類集成、低損、可調的太赫茲元件提供了一種可行方案。

圖1 a，結構取向的液晶聚合物柔性膜對太赫茲波前調控示意圖；b，光束偏折器；

c，貝塞爾光束產生器；d，渦旋光OAM產生器；e，薄膜透鏡焦距的機械變形調控

  該論文第一作者是16級直博生沈志雄，胡偉教授和陸延青教授為本文的通訊作者，南京大學唐明劼碩士、陳鵬副研、周勝航同學、葛士軍副研、段薇博士和魏挺同學，清華大學梁曉教授對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發計劃、自然科學基金項目、省傑青項目資助完成，同時感謝國家實驗室微加工中心、人工微結構科學與技術協同創新中心、南京大學十百千工程、中央高校基本科研業務費等平臺與項目的大力支持。

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