Nature Photonics | 多通道动态编码二维电子气微扰芯片实现高精度太赫兹相位操控

论文导读

      直接相位调制是太赫兹科学与技术研究领域中最迫切和最困难的问题之一。为此，电子科技大学杨梓强教授和张雅鑫教授研究小组提出了一种利用片上多路数字编码控制二维电子气微扰结构单元微扰谐振态实现对片上传输太赫兹波高精度相位调控的新方法，形成了多路可编码的超构芯片新结构。该方法通过控制片上微结构单元局部扰动谐振来调控传输的太赫兹波的相位，使用多通道外部电压编码控制各个扰动单元二维电子气的电子传输特性来调节局部扰动的强度和分布特性，从而影响片上传输太赫兹导波的相位。这种方法可实现对太赫兹波的相位进行高精度的数字操控，在0.26-0.27 THz的频率范围内最高可达2-5°。其中在0.265 THz时，平均相位误差仅为0.35°，平均插入损耗低至6.14 dB，振幅波动低至0.5 dB。此项工作以High-precision digital terahertz phase manipulation within a multichannel field perturbation coding chip为标题于2021年8月9日正式发表于Nature Photonics期刊。

研究背景

      太赫兹技术在高速通信、生物医学成像、雷达和安全检测等领域具有变革性的应用前景。特别是随着无线带宽需求的增加，以太赫兹波为载波的无线通信系统将提供超过5G通信系统的超高通信速率。太赫兹系统的需求推动了高性能太赫兹集成器件的发展。因此，如何对太赫兹波的相位和振幅进行有效的动态调控已成为国内外本领域研究的一大热门。其中重要的传统方法是利用超材料或超表面结构和一种可动态调谐的材料组成的动态阵列器件来调控太赫兹波相位。例如，2009年，Nature Photonics首次报道了利用超材料和掺杂半导体来调控太赫兹波相位，此后，各种用于太赫兹相位调控的动态可调谐复合结构和阵列相继被提出：基于掺杂硅、氧化钒、石墨烯、高电子迁移率晶体管、液晶和其他动态材料的太赫兹人工微结构阵列器件。然而，由于这种方法通常依赖于自由空间太赫兹波与人工微结构谐振模式相互作用，太赫兹波的振幅和相位受自由空间波与结构耦合的影响，相位调控过程中会引入较大的幅度波动，且相位的线性调控范围和精度有限。同时，复合人工微结构阵列相位调制器都是自由空间准光型器件，而不是波导集成型的，这也限制了太赫兹波相位调控的整体效率和可集成性。

技术突破

      本文提出了一种太赫兹相位调控超构芯片---多通道场微扰编码芯片(MFPCC)，它结合了数字编码控制的二维电子气微扰微结构单元(2DEG-PMUs)和片上微带传输线(图1)。微带线将基底表面分为了两侧：一侧包含了二维电子气(2DEG)微结构，另一侧则是接地的金属块。每个2DEG-PMU由一个金属块、一个开口细金属线和位于开口两侧的两个金属电极组成。其中2DEG结构采用与传统高电子迁移率晶体管技术相同的制造工艺，其嵌在开口中，为器件提供有源可调控的特征。片上传输太赫兹波以准TEM模沿主传输线传播，传播的太赫兹波电场可以在2DEG-PMU中诱发弱谐振模式。当施加偏置电压时，结构单元中2DEG浓度将发生变化，引起2DEG-PMU的谐振特性发生改变，形成结构谐振频率的移动，进而影响传播的太赫兹波相位。具体为：

      2DEG-PMU中的阳极金属与GaN薄膜和AlGaN薄膜连接(如图2)，形成了肖特基接触，导致2DEG产生耗尽层。而在2DEG的耗尽区中，阳极金属和未耗尽的2DEG之间形成了一个等效电容。通过改变2DEG结构阳极上的反向偏压，可以改变耗尽区宽度，从而影响阳极金属与2DEG之间的等效电容。反向偏置电压越高，耗尽宽度越大，等效电容越大。当太赫兹波通过2DEG-PMU时，电流从微带线流入2DEG结构，导致电子在2DEG结构的电极上积累，形成局部LC谐振。而LC谐振产生了一个额外的垂直于微带线平面的电场分量，它影响了基底中准TEM波的原始电场。这一附加电场分量对原电场的影响很小，所以可得到较小的振幅波动。然而，这个附加电场改变了电场在截面上的分布面积，对相位的影响较大。这导致微带线的相对等效介电常数发生变化，相速度因此改变，从而产生相移。在该设计中，相移是可以进行数字调控的，通过对2DEG-PMU施加不同的偏置电压，可以控制2DEG的载流子浓度，使得微扰谐振在 “0”(低电容)和“1”(高电容)状态之间的转换。文中将多个2DEG-PMUs组合，达到了增加相位调制范围的效果。

      同时，将多个2DEG-PMU组合排列（本文为6个单元）还有一个重要的影响，即微带线上的每个2DEG-PMU通过不同的偏置电压分别表现“0”和“1”的微扰谐振态，这些微扰可以相互叠加、相互耦合，导致整体相移出现非线性。因此，2DEG-PMU之间的影响并不是简单的增加，本文利用这种非线性叠加来获得更丰富的相移编码数据库，从而极大地提高了相移的精度。实验结果表明(如图3)，所设计的MFPCC在0.265 THz时具有5°的高相移精度，平均相移误差仅为0.35°，平均插入损耗低至6.14 dB。在其他频率上也得到了同样优异的效果。并且高精度的相移操控可以在很小的幅度波动下实现，在0.265 THz处的振幅波动仅为0.5 dB。

观点评述

      本文基于二维电子气的电子传输特性，将其构成的微扰谐振单元与片上传输结构相互结合，设计了一种多通道场扰动编码芯片。与以往常用的动态人工微结构阵列方法相比，2DEG-PMU不是直接耦合自由空间的太赫兹波，而是耦合微带线上传输太赫兹波的一部分。这种耦合形成了一个局部谐振，扰动了微带线上传输的太赫兹波。通过设计微扰谐振单元的频率响应，保证了太赫兹波的相移产生移动时，其振幅不会大幅度变化。此外，对多个2DEG-PMU组成的阵列进行数字编码，可以控制它们产生的微扰强度和非线性耦合效应，从而实现对输出太赫兹信号相位的极其精确的控制。与传统微结构阵列相位调控方法相比，本文的多通道场扰动编码芯片具有更高的相位调控精度和更小的振幅波动。由于采用了芯片的形式，其具有良好的集成性、可扩展性和兼容性，使之在未来太赫兹应用系统中具有重要的应用前景。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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