适用于太赫兹无线通信的多功能平面太赫兹光子元件的全新解决方案

最近，南京大学现代工学院胡伟、陆延青团队利用光控取向的液晶聚合物柔性薄膜开发出多功能平面太赫兹光子元件，提供了一种太赫兹波前调控的全新解决方案。该成果以Planar terahertz photonics mediated by liquid crystal polymers为题，于2020年2月5日在线发表在《先进光学材料》上（Adv. Opt. Mater. 2020， 1902124）。

高速无线通信极大地促进了我们的日常工作与生活。太赫兹（THz）波段的载波频率比目前采用的射频波段高得多，被认为是未来大容量无线通信的载体。然而，与光频或射频波段相比，许多太赫兹技术还远不够成熟。太赫兹频段超过了电学放大器和混频器中所必不可少的半导体材料的截止频率，致使当前广泛采用的射频电子元件不再兼容太赫兹波段。

面对上述挑战，科学家开始研究基于光子学的解决方案。近年来，基于超表面的平面太赫兹光子元件由于可以自由地调控太赫兹波前而引起关注，但其内在的欧姆损耗导致效率太低。介质超表面和多层金属超表面有望显著提高效率，但其设计制造的复杂性限制了实际应用。为了满足未来太赫兹通信的迫切需求，开发结构简单、低损耗、多功能的太赫兹光子元件势在必行。

针对这一挑战，南京大学研究团队基于光控取向液晶聚合物薄膜，提出了一种全新的平面太赫兹光子学解决方案。这类元件通过预设液晶聚合物的晶轴指向来实现对透过太赫兹加载上几何相位调制。基于该原理，文章展示了多种太赫兹光子元件，如：波片、光束偏折器、透镜、贝塞尔以及涡旋光产生器；实现了一系列适用于太赫兹无线通信的基本功能验证，包括：偏振控制、波束扫描、波束赋形和OAM模式复用等。

此外，液晶聚合物薄膜的柔性赋予了这类元件机械形变引起的可调谐性。在该工作中，液晶指向分布直接决定了元件的相位调制功能。因此只需直接对样品进行光取向编码，无需复杂的模拟仿真和结构参数优化；液晶聚合物材料及其旋涂和取向技术成熟，为该类元件的大规模生产提供了保证；通过改变膜厚可以优化目标频率下的效率，该类元件在0.4——3THz的宽带范围内，展示出了超过50％的效率；光取向液晶聚合物薄膜还可以用作其它太赫兹元件的衬底，从而通过集成进一步降低太赫兹装置的损耗；通过机械变形，赋予这些微结构平面太赫兹光子元件可调谐特性，这对于动态光束转向、多通道光束耦合、波束赋形具有重要意义。该工作为设计制备各类集成、低损、可调的太赫兹元件提供了一种可行方案。

图1 （a）结构取向的液晶聚合物柔性膜对太赫兹波前调控示意图；（b）光束偏折器；（c）贝塞尔光束产生器；（d）涡旋光OAM产生器；（e）薄膜透镜焦距的机械变形调控

该论文第一作者是2016级直博生沈志雄，胡伟教授和陆延青教授为本文的通讯作者，南京大学唐明劼硕士、陈鹏副研、周胜航同学、葛士军副研、段薇博士和魏挺同学，清华大学梁晓教授对本文亦有重要贡献。

该研究由国家重点研发计划、自然科学基金项目、省杰青项目资助完成，同时感谢国家实验室微加工中心、人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的大力支持。

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