Блог

Jun 24, 2023

Бинарный ТГц модулятор на основе кремния Шоттки

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 18871 (2022) Цитировать эту статью 1902 Доступов 2 Цитирования 2 Подробности о альтметрических метриках Мы предлагаем метаповерхностный ТГц модулятор на основе резонаторов с разъемным кольцом.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 18871 (2022) Ссылаться на эту статью

Доступы 1902 года

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы предлагаем метаповерхностный ТГц модулятор на основе разъемных кольцевых резонаторов (SRR), образованных четырьмя соединенными между собой горизонтальными Si-Au диодами Шоттки. Эквивалентная емкость перехода каждого SRR в предлагаемом модуляторе намного меньше, чем у ранее сообщенных аналогов метаповерхности с вертикальными переходами Шоттки, что приводит к более высокой скорости модуляции. Чтобы модулировать падающий ТГц сигнал с помощью предлагаемой метаповерхности, мы изменяем напряжение смещения, внешне приложенное к переходам Шоттки. При приложении обратного смещения VA = - 5 В к затвору Au в метаповерхности возбуждаются два LC-резонанса на частотах 0,48 ТГц и 0,95 ТГц. Переключая приложенное напряжение на VA = +0,49 В, мы уменьшаем силы генераторов LC-резонансов, создавая один дипольный резонанс на частоте 0,73 ТГц в спектре пропускания метаповерхностного модулятора. Глубина модуляции на этих резонансах составляет более 45%, достигая 87% на частоте 0,95 ТГц. Фазовая модуляция этого ТГц модулятора составляет около 1,12 рад на частоте 0,86 ТГц. Кроме того, благодаря особой конструкции метаатомов скорость модуляции этого устройства оценивается примерно до нескольких сотен ГГц, что делает это устройство подходящим кандидатом для высокоскоростных приложений в системах беспроводной связи на основе внешних модуляторов.

Терагерцовый (ТГц) частотный диапазон из-за его желательных характеристик, таких как энергия фотонов, которая на несколько порядков меньше уровня энергии ионизирующих фотонов, скорость передачи данных терабит в секунду (Тбит/с), более высокая направленность соединения, меньшая уязвимость к подслушиванию и меньшая уязвимость к нежелательным погодным условиям, привлекла большое внимание к применению в сверхбыстрых сетях беспроводной связи следующего поколения1,2,3,4. Однако слабая реакция многих природных материалов на ТГц излучение создала множество проблем для технологического прогресса в этой области5,6. Тем не менее, исключительные свойства некоторых метаматериалов и их двумерных аналогов (метаповерхностей) преодолели эти трудности. Метаповерхность — это периодический массив метаатомов (металлических/диэлектрических элементов субволновых размеров). Он предназначен для управления амплитудой, фазой или состоянием поляризации падающей волны, желательно7,8,9,10. На сегодняшний день исследователи предложили множество ТГц устройств на основе метаматериалов и метаповерхностей, например, линзы11,12, преобразователи поляризации13,14,15,16, идеальные поглотители17,18,19, волновые пластины20 и дефлекторы пучка21. В этих мета-устройствах, в отличие от обычных дифракционных устройств, причиной изменения фазы и поляризации падающей волны является не распространение волны вдоль и поперек устройства. Эти изменения происходят скорее внезапно и значительно на толщине, составляющей всего лишь часть длины волны, за счет субволновых рассеивателей22. Будущие системы стремятся стать интеллектуальными и адаптивными к окружающей среде. Кроме того, в настоящее время умы задумываются о создании метаповерхностей, которые могут объединить несколько приложений в одном ультратонком устройстве. Однако многие из предлагаемых метаповерхностей состоят из пассивных элементов, что делает невозможным активную настройку выходных электромагнитных свойств этих устройств. Исследователи предложили различные подходы, чтобы преодолеть этот недостаток для активного управления операциями с метаповерхностями в реальном времени. Некоторые из последних методов работают путем изменения конфигурации метаатомов или электромагнитной связи между соседними резонаторами, реализуемой с помощью технологии MEMS23,24 или гибких подложек25. В других подходах исследователи использовали перестраиваемые материалы, такие как VO226,27, SrTiO328, Si29,30, перовскит31 или графен18,32,33 в структуре элементарной ячейки. Можно модулировать выходную реакцию метаповерхности, изменяя свойства настраиваемых материалов с помощью определенного внешнего стимула, такого как тепло, свет или электрическое напряжение. Несмотря на большую глубину модуляции, устройства с термической настройкой среди этих методов не обладают значительной скоростью модуляции. Механическое управление страдает от износа компонентов. Хотя оптический метод обеспечивает самую быструю модуляцию среди всех других методов, он требует дорогостоящего входного оптического источника и оборудования накачки света, что имеет свои трудности. Среди названных методов модуляции для настройки метаповерхности предпочтительным является электрический подход, обладающий соответствующей скоростью модуляции и полосой пропускания, большим динамическим диапазоном и совместимостью с КМОП. Примером электрически настроенной ТГц метаповерхности является предложенная в 34. Там они модулировали падающие ТГц волны путем изменения смещения, приложенного к контактам Шоттки, образующимся между метаповерхностью и легированной полупроводниковой подложкой, со скоростью модуляции в диапазоне кГц. Эта работа стала прелюдией к созданию легированных композитных полупроводниково-метаповерхностных перестраиваемых ТГц устройств21,35,36,37,38,39, которые в лучшем случае обеспечивали скорость модуляции в несколько МГц. Путем гибридизации ТГц метаповерхностей с псевдоморфными транзисторами с высокой подвижностью электронов (pHEMT)40,41,42,43,44,45,46 недавно появился другой тип электрически настроенных ТГц модуляторов. Хотя при таком подходе модуляция ТГц волн основана на изменении концентрации носителей в двумерных слоях электронного газа (2DEG) толщиной в нм под действием электрического напряжения смещения, достижение скорости модуляции в ГГц диапазоне возможно. Такие устройства страдают от недостатков, таких как низкая сила резонанса и высокие вносимые потери, и представляют собой компромисс между скоростью модуляции и улучшением глубины45,46. Размещая ПИН- или варакторные диоды в зазорах метаразрезных кольцевых резонаторов (СРР), можно преобразовать метаповерхностные резонансы в СВЧ-диапазон частот. Это преобразование в резонансном режиме может включать преобразование из индуктора-конденсатора (LC) в LC или из LC в диполь.