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Jun 24, 2023

실리콘 쇼트키 기반 바이너리 THz 변조기

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18871(2022) 이 기사 인용 1902 액세스 2 인용 2 Altmetric Metrics 세부 정보 분할 링 공진기를 기반으로 하는 메타표면 THz 변조기를 제안합니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18871(2022) 이 기사 인용

1902 액세스

2 인용

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

우리는 4개의 상호 연결된 수평 Si-Au 쇼트키 다이오드로 형성된 분할 링 공진기(SRR)를 기반으로 하는 메타표면 THz 변조기를 제안합니다. 제안된 변조기의 각 SRR의 등가 접합 커패시턴스는 이전에 보고된 수직 쇼트키 접합이 있는 메타표면 대응물보다 훨씬 작으므로 변조 속도가 더 높아집니다. 제안된 메타표면에 의해 THz 입사 신호를 변조하기 위해 쇼트키 접합에 외부적으로 적용되는 바이어스 전압을 변경합니다. Au 게이트에 VA = - 5V의 역바이어스를 적용하면 0.48THz 및 0.95THz에서 두 개의 LC 공명이 메타표면에서 여기됩니다. 적용된 전압을 VA = + 0.49V로 전환하면 LC 공진의 발진기 강도가 감소하여 메타표면 변조기의 전송 스펙트럼에서 0.73THz에서 하나의 쌍극자 공진이 생성됩니다. 이러한 공진에서의 변조 깊이는 45% 이상이며 0.95THz에서 87%에 도달합니다. 이 THz 변조기의 위상 변조는 0.86THz에서 약 1.12rad입니다. 또한, 메타원자의 특정 설계로 인해 이 장치의 변조 속도는 약 수백 GHz까지 추정되며, 이는 이 장치를 외부 변조기를 기반으로 하는 무선 통신 시스템의 고속 애플리케이션에 적합한 후보로 만듭니다.

테라헤르츠(THz) 주파수 범위는 이온화 광자의 에너지 수준보다 몇 배 더 작은 광자 에너지, Tbps(초당 테라비트) 데이터 속도, 더 높은 링크 방향성, 도청에 대한 더 낮은 취약성과 같은 바람직한 기능으로 인해 발생합니다. 바람직하지 않은 기상 조건에 대한 취약성이 적어 차세대 초고속 무선 통신 네트워크1,2,3,4에 적용하는 데 많은 관심을 끌고 있습니다. 그러나 THz 방사선에 대한 많은 천연 물질의 약한 반응으로 인해 이 분야의 기술 발전에 많은 어려움이 발생했습니다5,6. 그럼에도 불구하고 일부 메타물질과 그에 대응하는 2D 물질(메타표면)의 탁월한 기능이 이러한 과제를 압도했습니다. 메타표면은 메타원자(파장 이하 크기의 금속/유전체 요소)의 주기적인 배열입니다. 입사파 진폭, 위상 또는 편광 상태를 바람직하게 제어하도록 설계되었습니다. 현재까지 연구자들은 렌즈11,12, 편광 변환기13,14,15,16, 완전 흡수체17,18,19, 파장판20 및 빔 편향기21와 같은 메타물질 및 메타표면을 기반으로 하는 다양한 THz 장치를 제안했습니다. 이러한 메타 장치에서는 기존 회절 장치와 달리 입사 파동 위상과 편파가 변경되는 원인이 장치를 따라 또는 장치를 가로질러 전파되는 것이 아닙니다. 이러한 변화는 오히려 파장 이하 산란체22에 의해 파장의 일부에 불과한 두께에 걸쳐 갑작스럽고 크게 발생합니다. 미래 시스템은 지능화되고 환경에 적응하는 방향으로 나아가고 있습니다. 게다가 요즘에는 여러 애플리케이션을 하나의 초박형 장치에 통합할 수 있는 메타표면 설계를 생각하고 있습니다. 그러나 제안된 메타표면 중 상당수는 수동 요소로 구성되어 있어 이러한 장치의 출력 전자기 특성을 능동적으로 조정하는 것이 불가능합니다. 연구자들은 메타표면 작업을 능동적이고 실시간으로 제어하기 위한 이러한 단점을 극복하기 위한 다양한 접근 방식을 제안했습니다. 후자의 방법 중 일부는 MEMS 기술23,24 또는 유연한 기판25에 의해 실현된 인접한 공진기 간의 전자기 결합 또는 메타원자 구성을 변경하여 작동합니다. 다른 접근법에서 연구자들은 단위 셀 구조에 VO226,27, SrTiO328, Si29,30, 페로브스카이트31 또는 그래핀18,32,33과 같은 조정 가능한 재료를 사용했습니다. 열, 빛 또는 전기 전압과 같은 특정 외부 자극에 의해 조정 가능한 재료의 특성을 수정하여 메타표면 출력 응답을 조절할 수 있습니다. 높은 변조 깊이에도 불구하고 이러한 방법 중 열적으로 조정된 장치는 상당한 변조 속도를 갖지 않습니다. 기계적 제어는 부품의 감가상각으로 인해 어려움을 겪습니다. 광학기술은 다른 모든 방법 중에서 변조 속도가 가장 빠르지만 값비싼 입력광원과 광펌프 장비가 필요하다는 어려움이 있다. 메타표면을 조정하기 위해 명명된 변조 방법 중에서 적절한 변조 속도와 대역폭, 큰 동적 범위 및 CMOS 호환이 가능한 전기적 접근 방식이 유리합니다. 전기적으로 조정된 THz 메타표면의 예는 에서 제안된 것입니다. 그곳에서 그들은 kHz 범위의 변조 속도로 메타표면과 도핑된 반도체 기판 사이에 형성된 쇼트키 접합에 적용되는 바이어스를 변경하여 입사 THz 파동을 변조했습니다. 이 연구는 기껏해야 수 MHz의 변조 속도를 제공한 도핑된 반도체-메타표면 복합 조정 가능 THz 장치 설계의 서막이 되었습니다. THz 메타표면을 부정형 고전자 이동성 트랜지스터(pHEMT)40,41,42,43,44,45,46와 혼성화함으로써 최근에 전기적으로 조정된 다른 유형의 THz 변조기가 등장했습니다. 이러한 접근 방식을 통해 THz 파 변조는 전기 바이어스 전압에 의한 nm 두께의 2DEG(2차원 전자 가스) 층의 캐리어 농도 변화를 기반으로 하므로 GHz 범위의 변조 속도 달성이 가능합니다. 이러한 장치는 낮은 공진 강도 및 높은 삽입 손실과 같은 결함이 있으며 변조 속도와 깊이 향상 사이의 균형을 이루고 있습니다. SRR(메타 분할 링 공진기)의 간격에 PIN 또는 버랙터 다이오드를 배치하면 마이크로파 주파수 범위에서 메타표면 공진을 변환할 수 있습니다. 이러한 공진 모드 변환에는 인덕터-커패시터(LC)에서 LC로 또는 LC에서 쌍극자로의 변환이 포함될 수 있습니다.