[发明专利]一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面

说明书

本发明属于太赫兹波功能器件、电磁通信领域，具体为一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面。本发明通过引入多阶相位调制因子使得在线性极化太赫兹平面波入射下，能够实现对称和非对称的高阶涡旋光束的产生，根据出射角的不同，灵活选择相位分布，具有很强的可操作性；全介质硅的选择也极大地避免了金属中存在的欧姆损耗问题，进一步地提高了能量利用率，在进一步改善通信容量，在毫米波、太赫兹波频段利用轨道角动量实现高速率、多轨道角动量模态复用、高频谱利用率通信具有很好的现实意义。

技术领域

本发明属于太赫兹波功能器件、电磁通信领域，具体为一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面。

背景技术

涡旋波束是一种特殊的拥有螺旋型相位波前和相位奇点的波束，波束中心振幅为零，形成暗中空的波束。对于不同拓扑荷值l的波束，其与旋转方位角φ有关的相位因子exp(ilφ)决定了波束在传播过程中围绕相位奇点表现出螺旋型相位波前特性，并且携带非零轨道角动量(OAM)。轨道角动量与自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)不同，自旋角动量只有两种模式：左旋圆极化模式与右旋圆极化模式(模式数分别对应于-1与1)。而不同的是，轨道角动量具有无穷多的本征态，每一个OAM态可由拓扑电荷(topological charge)值l确定，可取任意的整数值。同时，这些不同OAM态的电磁波两两正交，且能够在独立传输的过程中使相位结构保持稳定。在一个固定的频带范围内，利用轨道角动量这一新技术可以实现无限多的信号传输。同时，轨道角动量表现出的电磁兼容性良好。因此，电磁波轨道角动量这一新技术的应用，给当下频谱资源紧缺的问题给出了有效的解决方案，有望使得通信系统的容量获得极大的提高。

OAM涡旋电磁波已引起了国内外研究学者们的广泛关注，在微波射频波段产生涡旋电磁波包括螺旋相位板、螺旋反射面和环形阵列天线等方法。而在太赫兹波频率范围，尺寸的急剧小型化使得传统的大尺寸螺旋相位板、反射面不再适用；传统相控阵列天线，需要设计复杂的馈电网络，特别是在相移器仍然十分昂贵的今天，制作产生OAM涡旋电磁波的环形阵列天线需要很高的制作成本，当需要产生高阶态的OAM涡旋电磁波时，需要更多的天线阵元，这无疑增加了天线系统的复杂度，不利于大规模推广。

超表面，是一种二维单层结构的超材料，具有超薄，体积小的优势，它的提出使得超材料可以用来设计超薄的元器件，更便于集成和应用。介质超材料是近几年被提出并广泛应用的一种人工材料，它完全由介质构成，介质材料中没有自由移动的电子，因而介质中不存在欧姆损耗的问题，且介质损耗也可通过恰当选择介质类型而消除或减弱，所以在提高电磁波效率上有广泛的应用价值。

基于全介质超表面超表面成为了太赫兹光电子器件领域一个重要的方向，超表面透镜，分束器，涡旋光束产生器等器件都相继被报导。然而，目前全介质超表面对太赫兹波的调控大多数是基于几何相位或共振相位等调控方式，这使得全介质超表面对太赫兹波调控相对单一，不够灵活。特别是近年来，涡旋波束产生器件在通信领域的潜在应用价值，将多种相位调制因子结合起来，在对称涡旋波束基础上实现非对称以及多角度散射的涡旋波束，不仅对太赫兹波多功能调控上有着巨大意义，特别是在未来的多阶涡旋波束通信上提高自由空间的散射维度，一方面由于多个正交信道信息传输来提高频谱利用率；另一方面，多角度的散射波束有效地增加覆盖范围，对未来构建太赫兹信息传输有着广阔的应用前景。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有全介质超表面对太赫兹波调控相对单一、不够灵活的问题，本发明提供了一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，在提高效率的基础上，结合多阶相位因子使得超表面对太赫兹波调控更为灵活，有效解决调控单一等问题。本发明具有体积小、加工技术成熟、成本低廉等特点。在本发明中仅以垂直于超表面方向为参考线，出射角度以及拓扑电荷数共轭对称的±1阶涡旋光束和出射角度非对称的共轭±2阶涡旋光束为例，实现了共轭涡旋光束出射角度可以灵活调控等技术。

本发明技术方案如下:

一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面，由移相单元结构以阵列排布组成。