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Jun 24, 2023

シリコンショットキーベースのバイナリTHz変調器

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18871 (2022) この記事を引用する 1902 アクセス数 2 引用数 2 Altmetric Metrics の詳細 私たちは、スプリットリング共振器に基づくメタサーフェス THz 変調器を提案します。

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18871 (2022) この記事を引用

1902 アクセス

2 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

我々は、4 つの相互接続された水平 Si-Au ショットキー ダイオードによって形成されたスプリットリング共振器 (SRR) に基づくメタ表面 THz 変調器を提案します。 提案された変調器の各 SRR の等価接合容量は、以前に報告された垂直ショットキー接合を備えたメタ表面相当品よりもはるかに小さいため、変調速度が向上します。 提案されたメタ表面によって THz 入射信号を変調するために、ショットキー接合に外部から印加されるバイアス電圧を変化させます。 Au ゲートに VA = − 5 V の逆バイアスを印加すると、0.48 THz と 0.95 THz の 2 つの LC 共振がメタ表面で励起されます。 印加電圧を VA = + 0.49 V に切り替えると、LC 共振の発振器強度が減少し、メタサーフェス変調器の送信スペクトル内に 0.73 THz で 1 つの双極子共振が作成されます。 これらの共振における変調深度は 45% を超え、0.95 THz では 87% に達します。 この THz 変調器の位相変調は、0.86 THz で約 1.12 rad です。 さらに、メタ原子の特殊な設計により、このデバイスの変調速度は最大約数百 GHz と推定されており、このデバイスは外部変調器に基づく無線通信システムの高速アプリケーションの適切な候補となっています。

テラヘルツ (THz) 周波数範囲は、光子エネルギーがイオン化光子のエネルギー レベルよりも数桁小さいこと、テラビット/秒 (Tbps) データ レート、高いリンク方向性、盗聴に対する脆弱性が低いことなどの望ましい特徴により、望ましくない気象条件に対する脆弱性が少ないため、次世代の超高速無線通信ネットワークへの応用として十分な注目を集めています1、2、3、4。 しかし、多くの天然物質はテラヘルツ放射に対して弱い反応を示すため、この分野の技術進歩に対して多くの課題を引き起こしています5、6。 それにもかかわらず、一部のメタマテリアルとその 2D 対応物 (メタサーフェス) の優れた機能が課題を克服しています。 メタ表面は、メタ原子 (波長以下の寸法の金属/誘電体要素) の周期的な配列です。 入射波の振幅、位相、または偏光状態を制御するように設計されています 7、8、9、10 が望ましいです。 現在までに、研究者らは、メタマテリアルおよびメタ表面に基づいたさまざまな THz デバイス、たとえばレンズ 11、12、偏光変換器 13、14、15、16、完全吸収体 17、18、19、波長板 20、およびビーム偏向器 21 を提案しています。 これらのメタデバイスでは、従来の回折デバイスとは異なり、入射波の位相と偏光を変化させるのは、デバイスに沿った、またはデバイス全体にわたる波の伝播ではありません。 これらの変化はむしろ、サブ波長散乱体によって波長のほんの一部の厚さにわたって突然かつ大幅に起こります22。 将来のシステムは、インテリジェントで環境に適応する方向に向かって進んでいます。 さらに、今日では、複数のアプリケーションを単一の超薄型デバイスに統合できるメタサーフェスの設計が考えられています。 しかし、提案されているメタサーフェスの多くは受動素子で構成されているため、これらのデバイスの出力電磁特性を能動的に調整することは不可能です。 研究者たちは、メタサーフェス操作をアクティブかつリアルタイムで制御するために、この欠点を克服するさまざまなアプローチを提案してきました。 後者の方法の一部は、メタ原子の構成や、隣接する共振器間の電磁結合を変更することで機能し、MEMS 技術 23、24 またはフレキシブル基板 25 によって実現されます。 他のアプローチでは、研究者らは、VO226,27、SrTiO328、Si29,30、ペロブスカイト31、グラフェン18,32,33などの調整可能な材料を単位セル構造に使用しました。 熱、光、電圧などの特定の外部刺激によって調整可能な材料の特性を変更することで、メタサーフェスの出力応答を調整できます。 これらの方法の中でも、熱調整デバイスは、変調深度が高いにもかかわらず、大きな変調速度を備えていません。 機械制御はコンポーネントの減価償却に悩まされます。 光技術は他の方式の中で最も高速な変調が可能ですが、高価な入力光源と光ポンプ装置を必要とするという難点があります。 メタサーフェスを調整するための指定された変調方法の中でも、適切な変調速度と帯域幅、大きなダイナミック レンジを備え、CMOS 互換性がある電気的アプローチが有利です。 電気的に調整された THz メタサーフェスの例は、34 で提案されたものです。 そこで彼らは、メタ表面とドープされた半導体基板の間に形成されたショットキー接合に印加されるバイアスをkHz範囲の変調速度で変化させることによって、入射THz波を変調した。 この研究は、せいぜい数 MHz の変調速度を提供するドープ半導体メタ表面複合調整可能 THz デバイス 21、35、36、37、38、39 を設計するための序曲となりました。 最近、THz メタサーフェスと擬似高電子移動度トランジスタ (pHEMT) をハイブリッド化することにより、異なるタイプの電気的に調整された THz 変調器が出現しました。 このアプローチでは、テラヘルツ波変調は、電気バイアス電圧による厚さnmの二次元電子ガス（2DEG）層のキャリア濃度の変化に基づいていますが、GHz範囲の変調速度の達成が可能です。 このようなデバイスには、低い共振強度や高い挿入損失などの欠点があり、変調速度と深さの向上の間にトレードオフが生じます45、46。 メタスプリットリング共振器 (SRR) のギャップに PIN またはバラクタ ダイオードを配置することにより、マイクロ波周波数範囲のメタ表面共振を変換できます。 この共振モード変換には、インダクタ - コンデンサ (LC) から LC への変換、または LC からダイポールへの変換が含まれる場合があります。