[发明专利]基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用

说明书

本发明提供一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用，器件包括若干以一定规律排布的超材料单元，超材料单元从下至上依次包括底层VO₂层、介质隔离层和顶层VO₂层，底层VO₂层、介质隔离层、顶层VO₂层三者中心重合。器件完全由介质材料构成，不包含金属材料，器件可以通过热控或光控实现两种工作模式：透射模式和反射模式间的动态切换。反射模式下，器件对太赫兹波高效反射并分束，相当于一个反射型分束器。透射模式下，器件对太赫兹波高效透射。相较于其他反射型分束器，器件在无需作为分束器工作时，其本身不会改变入射波原本的传输路径和阻碍入射波的进一步传输。器件可用于室内太赫兹通信，以实现扩大通信范围和多端通信等功能。

技术领域

本发明涉及太赫兹动态波束调控技术领域，具体是一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用。

背景技术

太赫兹波具有的低量子能量、宽频谱资源、良好的穿透性以及高传输速率等特性，使得其在高速通信、雷达和成像等多方面的应用备受国内外研究人员的关注。尤其是太赫兹通信技术被指定用于6G技术应用之后，目前已经成为国际上重要的研究热点。由于太赫兹波处于红外和微波波段之间这样一个特殊的频段，在微波和光学较为成熟的调控器件在太赫兹波段效果有限。近年来，超表面的提出和发展使得操控太赫兹波束有了更为简单和高效的方式。于超表面的太赫兹波束调控主要是通过在界面引入合适的相位梯度从而得到不同数量及角度的反射波束，具体的调控状态可以由传统的相控阵天线理论及广义斯涅尔定律算出。

分束器是可以将入射光束分成多个光束的光学设备，在太赫兹通信技术中可以满足多终端应用和提高通信的覆盖范围。常规的分束器主要是具有功能图层的介电镜或棱镜，其体积大且功能单一，无法很好地满足在太赫兹应用中对调控器件小型化和高性能的需求。同时在太赫兹波段，由于太赫兹波的传播特性，严重的路径损耗和分子吸收损耗导致太赫兹波的通信距离受到限制，这使得室内高速通信成为太赫兹未来6G重要的应用场景之一[参考文献： Ma X,Chen Z,Chen W,Intelligent reflecting surface enhancedindoor terahertz communication systems[J].Nano Communication Networks,2020,24:Art.No.100284.]。众所周知，室内的通信环境较为复杂，这导致具有强方向性和弱衍射性的太赫兹波束很容易被室内的障碍物(例如家具)阻挡，即主要在视距范围内进行传播[参考文献：Federici J,Moeller L,Review of terahertz and subterahertz wirelesscommunications[J].Appl Phys,2010,107(11):Art.No.111101.]。因此，增强室内太赫兹通信的覆盖能力尤为重要。在这种条件下，分束器能够增强室内太赫兹信号的覆盖能力。但目前太赫兹分束器具有以下不足：1)目前分束器均为单模式工作，而且基本为反射型器件，其信号覆盖范围只在器件的一侧，不能实现全空间的信号覆盖。在不需要其工作时往往分束器本身会成为信号进一步传输的障碍，特别是需要在透射方向上进行通信时，此时单模式的器件无法满足相应的通信范围要求。2)目前的超表面结构均使用金属材料作为相位调控单元，因此其器件的可调谐性差，不能根据实际应用实现工作模式切换；同时金属材料带来的损耗也较大，特别是在对透射波的调制上损耗更为严重，这对于太赫兹通信极为不利。

发明内容

本发明针对以上所述的现有太赫兹波束调控器件中的不足，提出了一种基于介质超表面的双模式太赫兹波束调控器及方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：