李增霖 唐华伟 徐文霞 杨耸岳 史金辉

（哈尔滨工程大学物理与光电工程学院 纤维集成光学教育部重点实验室，哈尔滨 150001）

引 言

2014 年以来，东南大学崔铁军教授陆续提出了编码超表面、可重构数字超表面、信息超表面等概念[1]，即利用离散化相位单元序列对超表面的反射、透射、散射等状态进行调控. 对于1 比特编码超表面，其数字状态“0”和“1”分别代表相位0°和180°两种结构单元，对于编码超表面而言结构相位的绝对值对结果影响较小，重要的是二者之间的相位差值.1 比特、2 比特、3 比特编码超表面对应的相位差值分别是180°、90°、45°，相位差的离散值越小，对波束的调控越灵活，越接近于连续相位的调控结果，这为电磁波的灵活调控带来了更多的自由度. 此后，该思想被拓展到多个应用领域，涌现出许多新颖的超表面，例如各向异性编码超表面[2]、加法定理数字编码超表面[3]、张量编码超表面[4]、时空编码超表面[5]、智能编码超表面[6]，以及空间和频分复用的数字超表面[7]. 编码超表面的提出成功地将传统物理世界与信息世界连接起来.

大多数超表面以及编码超表面一旦制备后，其性能随之固定、不可调控，在实际应用中极为不便.近年来，设计超表面的过程中研究者使用了多种可调谐材料，动态地控制单元的电磁响应，实现了许多有趣的现象与应用[6]. 2017 年，北京大学与东南大学合作提出了可编程编码超表面，利用压控二极管在编码“0”和“1”之间进行切换，实现了全息应用[8].2017 年，Rouhi 等人提出了一种基于石墨烯的多功能编码超表面，在1～1.9 THz 宽频带内表现出较低的散射系数[9]. 2017 年，成都光电所通过调控编码单元结构中的变容二极管和PIN 二极管，实现多种电磁功能[10]. 2019 年，天津大学在编码单元的设计中融入了二氧化钒(VO2)，利用其相变特性实现对波前和偏振的调控[11]. 2020 年，东南大学等单位在编码单元设计中集成了光控二极管，实现了动态隐身、幻觉以及动态涡旋光束生成[12]. 2020 年，天津大学李佳辉等人设计了基于VO2的太赫兹编码超表面[13]，实现了波束调控和近场焦点的变换. 由于VO2的优异特性，其在超材料的设计中受到越来越多的关注，特别是在太赫兹波段[14-19]. 然而，基于VO2的太赫兹编码超表面的研究相对较少，其波束调控功能亟待丰富.

本文所选择的可调谐材料为VO2，由于VO2电导率在相变后增加了约三到五个数量级[20-24]. VO2的相变温度约为68 ℃，相变前VO2视作为绝缘态，相变后则视作为金属态，相变过程可以利用电、热和光多种方式实现[14-17]. 利用其绝缘态与金属态之间相变可进行动态编码超表面的设计. 通过将VO2和编码超表面相结合，设计合理的1 位编码结构，实现波束间的灵活调控功能以及双频编码超表面，为太赫兹主动控制编码超表面提供了一种新的设计思路.

1 超表面单元结构设计

本文设计了两组1 比特编码超表面单元结构，其类型分为不可调谐单元和可调谐单元. 如图1(a)所示为不可调谐结构单元“0”和“1”，该超表面的周期p=120 μm，顶层和底层分别为铝结构和铝层，厚度均为t=0.2 μm，中间介质层为聚酰亚胺，其介电常数设置为εr=3.0+0.09i，厚度为20 μm. 对于单元“0”，外框尺寸w1=36 μm，内框尺寸w2=30 μm. 对于单元“1”，顶层金属正方形的周期d=71 μm. 单元“0”和“1”的S 参数利用电磁软件CST 进行仿真，其振幅和相位如图1(b)所示. 在0.97 THz 工作频点处，单元“0”和“1”的振幅分别为0.93 和0.79，并且两者的相位差约为180°，满足1 比特编码超表面的设计条件.

图1 不可调谐单元结构示意图及其S 参数Fig. 1 Schematic of non-tunable unit cell and its S parameter

为实现对电磁波的主动调控，引入一种可调谐材料VO2. 在常温状态下，当VO2处于绝缘态时，介电常数εi=9，电导率σ=200 S/m. 当温度升高至超过68 ℃时，VO2相变成金属态，介电常数可用Drude模型表征[25-26]：

ωp(σ0)=1.4×1015rad/s. 根据上述所述，VO2电导率随温度变化的曲线如图2 所示. 当VO2为金属态时，通常可选取电导率σ=2×105S/m. 本文中，利用VO2的绝缘态和金属态两个极限状态实现波束调控，因此未考虑电导率随温度的变化过程.

图2 VO2 电导率随温度的变化曲线Fig. 2 Temperature dependence of the electrical conductivity of vanadium dioxide

本文将编码超表面和VO2相结合形成一种新的可调谐单元，如图3(a)所示. 该超表面单元为三层结构，底层和介质层分别为铝层和聚酰亚胺，顶层由铝和VO2的微纳结构构成. 在单元“0”中，q1=8 μm，c=31 μm，d=71 μm. 在单元“1”中，q2=14 μm，b=80 μm，a=108 μm. 相变前，当VO2为绝缘状态时，其结构的振幅和相位如图3(b)所示. 单元“0”和“1”在0.97 THz频率处振幅分别为0.83 和0.84，并且两者的相位差约为180°，在0.97 THz 附近可以很好地实现1 比特的相位编码. 当温度上升到340 K 以上时，VO2变成金属状态，此时单元“0”和“1”的振幅均为0.68 以上，相位差也为180°. 实际上，VO2由绝缘态到金属态相变时，相当于绝缘态单元“0”变成金属态单元“1”，绝缘态单元“1”变成金属态单元“0”. 该超表面无需重新设计新的结构就可以实现单元“0”和“1”的任意切换.

图3 可调谐单元结构示意图及其S 参数Fig. 3 Schematic of tunable unit cell and its S parameter

2 设计与讨论

为充分利用VO2的可调谐性，实现对远场波束的任意转换. 本文将所设计的可调谐单元与不可调谐单元进行组合，通过VO2由绝缘态到金属态的相变过程，能够进一步提高主动调控波束的灵活性. 此外，还设计了太赫兹双频带编码超表面，在两个不同频率下独立工作，实现完全相同的功能.

2.1 1 比特编码超表面的波束调控

由于金属材料不具备可调谐性，无法实现波束间的转换，本节将所设计的两组超表面结构作为基本单元进行组合，利用CST 电磁仿真软件模拟编码超表面. 由于超表面由可调谐单元和不可调谐单元共同组成，不可调谐单元中不含有VO2，当通过加热片对超材料整体加热时，不影响不可调谐单元，仅影响可调谐单元中VO2的相变，可利用VO2的绝缘态和金属态两个极限状态来实现波束调控. 可利用VO2的电导率模拟其由绝缘态到金属态的变化，进而在0.97 THz 处了解编码超表面的波束转换. 图4(a)是VO2为绝缘态时“0000/1111”编码序列的示意图，其远场仿真结果如图4(c)所示，可以看到垂直入射光束将被超表面反射到沿x轴对称的两个方向上.当VO2发生相变成为金属态时，其编码序列由“0000/1111”变成了“0101/0101”(图4(b))，远场仿真中的反射波束也由沿x轴对称的两光束变成沿y轴对称的两光束，远场仿真结果如图4(d)所示. 通过这种方式，可以实现编码超表面波束的动态切换，大大提升了波束调控的灵活性.

图4 x 与y 方向双波束切换的编码序列及其远场方向图Fig. 4 Coding sequences and far-field scattering patterns of the switching metamaterial between x-oriented and y-oriented double beams

为了进一步验证此想法的可行性，基于同样的思想，设计了另一种编码序列. 当VO2为绝缘态时，编码序列如图5(a)所示，为棋盘格“1010/0101”编码序列. 此时，垂直入射光束将被反射到四个对称的方向上，这里的超表面是由4×4 个超级子单元组成，以降低相邻单元间反射相位的影响，其远场仿真结果如图5(c)所示. 需要注意的是，在x方向上有两个能量较低的波瓣，它产生的主要原因是由两种单元间的反射率大小不完全一致以及超表面上相位分布的离散性所导致，其强度对主瓣的影响不大. 当VO2发生相变成为金属态时，其编码序列由“1010/0101”变成了“0101/0101” (图5(b))，远场仿真中的反射波束也由四个主光束变成沿y轴对称的两光束，结果如图5(d)所示.

图5 四波束与双波束切换的编码序列及其远场方向图Fig. 5 Coding sequences and far-field scattering patterns of the switching metamaterial between four and double beams

为验证两个单元组合的多样性，将不可调谐单元“0”与可调谐单元“1”进行编码组合，构成了“0101/0101”编码序列. 如图6(a) 所示，当VO2为绝缘态时，在0.97 THz 频率处可以看到沿y轴对称的两光束；当VO2相变为金属态时(图6(b))，会产生单一的垂直波束，远场仿真结果如图6(d)所示. 在1 比特编码序列中，以上三种功能都可以利用VO2的相变实现太赫兹波束的动态调控.

图6 双波束与单波束切换的编码序列及其远场方向图Fig. 6 Coding sequences and far-field scattering patterns of the switching metamaterial between double and single beams

2.2 1 比特双频带编码超表面

本节工作中，在太赫兹频率处设计了一个双频带1 比特编码超表面，在VO2相变前后，皆可实现双波束功能，所使用的结构是图3(a)中的可调谐单元“0”和“1”. 图7(a)和(b)分别给出了两个编码单元在0.97 THz 频率处金属状态和1.97 THz 频率处绝缘状态的反射振幅和相位. 从图7 可知在0.97 THz 和1.97 THz 处其振幅均大于0.68，且相位差满足180°.

图7 可调谐单元结构在两个频率下的反射振幅及相位Fig. 7 Reflection and phase characteristics of the tunable unit cell at 2 frequencies

图8 为VO2由绝缘态到金属态的相变过程中，编码序列“0101/0101”在1.97 和0.97 THz 频率下的3D 远场散射图. 当VO2为绝缘态时，在1.97 THz频率处，垂直入射的太赫兹波被分成两个倾斜光束，这两个光束相对于x-z平面上的法向轴以相同的角度分布. 当VO2为金属态时，在0.97 THz 频率处，其垂直波束仍然被分成两个倾斜光束，只是其异常反射角相对增大. “0101/0101”编码序列的偏转角θ 满足计算公式

图8 双频双波束切换的编码序列及其远场方向图Fig. 8 Coding sequences and far-field scattering patterns of the dual-frequency switching metamaterial with double beams

式中：λ 是工作频率波长；Γ 是编码序列周期. 分别将工作频率为0.97 和1.97 THz 的λ1=309 μm、λ2=153 μm和Γ=480 μm 代入式(3)中，可以算出其异常反射角分别为40°和18.5°，这与远场仿真结果40.2°和18.8°相一致. 以上讨论中，我们展示了双频编码超表面在两个不同相状态、频率下实现类似的太赫兹波束调控.

3 结 论

目前大多超表面使用的是金属材料，对电磁波的调控功能相对单一，不具备可调谐性. 本文将VO2与编码超表面相结合，设计了太赫兹频段的可调谐单元与不可调谐单元. 在0.97 THz 处设计了三种编码方式，通过温度控制VO2电导率变化，使其由绝缘态到金属态的过渡，可以实现多种功能的波束调控. 此外，还设计了太赫兹双频带编码超表面，在0.97 THz 和1.97 THz 两个不同频率下可实现类似的波束调控功能. 这项工作为太赫兹可调谐编码超表面提供了一种新的设计思路，为无线通信超表面的应用开辟了可能的途径.