基于VO?-金属复合超表面的电控太赫兹宽带和大相位移动器

《Optics & Laser Technology》：Electrically controlled terahertz broadband and large phase shifter based on VO 2-metal composite metasurface

实验展示了基于VO?-金属复合超表面的动态可调太赫兹相位调制器，通过电热效应实现宽频带（0.47-0.74 THz）相位偏移，最大达94°，为6G通信等应用提供新途径。

　　

作者：苏安|王红英|胡芳荣|陈曼娥|蒋明珠|支志恒|罗伟宇

中国河池大学数学与物理学院，河池546300

摘要

太赫兹（THz）波的动态相位调制对于无线通信、光谱成像、传感和相控阵雷达等应用至关重要。然而，在传输模式下实现宽频带内的大相位移动仍然是一个挑战。在这里，我们实验性地展示了一种基于二氧化钒（VO₂）-金属复合超表面的动态可调太赫兹相位调制器。该设备的单元由一个嵌入了VO₂的双T形金属谐振器和蓝宝石基板组成。该设备通过全波电磁仿真设计，采用微加工工艺制造，并通过太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统进行了表征。实验结果表明，在外部施加的电流产生的焦耳热作用下，VO₂贴片发生了可逆的绝缘体到金属的转变。因此，设备的谐振频率从0.76 THz变为0.42 THz。这种红移使得在0.56 THz时实现了94°的大动态相位移动，相位调制在270 GHz（即0.47 – 0.74 THz）的宽频带内超过了60°。这项工作为实现宽带、大相位移动的太赫兹动态相位调制提供了一种有效策略。所展示的电可重构能力在未来的6G通信、高速波束成形和实时波前控制中具有潜在应用。

引言

太赫兹频段具有宽频带的优势，在高分辨率检测[1]、[2]、[3]、宽带无线通信[4]、[5]、[6]、[7]和高灵敏度传感[8]、[9]、[10]等领域有重要应用。在这些实际应用中，需要在宽频率范围内进行大相位调制。现有的太赫兹相位移动器通常依赖于调整超材料的谐振效应，其响应通常仅限于特定的谐振频率，因此无法在宽带内实现更大的相位移动。

有许多方法和材料可以实现太赫兹波的相位移动，其中最常报道的是基于液晶[12]、[13]、[14]、[15]、[16]的太赫兹相位移动器。例如，韩等人展示了一种基于C形分裂环的相位不连续超表面，使用液晶弹性体作为基板进行太赫兹波前的调制[17]，在0.68 THz时实现了最大22°的输出角度变化。陈提出了使用向列液晶单元中的磁控双折射进行太赫兹波的相位移动，并在1.025 THz时实现了最大141°的相位移动[18]。蔡提出了使用电控双折射在向列液晶单元中进行波的相位移动，并在1.07 THz时实现了最大4.07度的相位移动。查等人提出了一种基于液晶和单层超表面的太赫兹相位移动器，用于双频段天线[20]。该设备在双频段内实现了超过180°的相位移动。然而，液晶相位移动器存在响应速度慢、功耗高和相位控制精度有限的问题。

第二种广泛用于控制太赫兹波相位的材料是半导体[21]。穆拉维耶夫等人设计了一种基于GaAs半导体的电控等离子体调制器，能够改变传输电磁波的相位[22]。该设备的相位可调范围可达41度，工作频率可达0.27 THz。刘等人提出了一种基于石墨烯的超宽带太赫兹相位移动器，利用了可调光学导电性的界面与非共振超表面[23]。通过控制石墨烯的栅极电压在+/- 5 V范围内，实现了0.4至1.2 THz频率范围内平均约120°的连续相位移动。此外，周等人提出了一种基于石墨烯-金属复合超表面的太赫兹动态相位移动器[24]。该设备通过改变金属谐振腔内石墨烯贴片的费米能级来主动调制太赫兹波的相位，实现了最大180°的相位移动。

在过去的十年中，由于电可调性，相变材料二氧化钒（VO₂）引起了研究人员的广泛关注。赵等人实验性地展示了VO₂耦合纳米结构[25]以实现太赫兹波的大相位移动。在0.6 THz时获得了最大138°的相位移动，相位移动在55 GHz（575 GHz-630 GHz）的带宽内超过了130度。之后，金等人提出了一种基于VO₂的电可寻址集成智能太赫兹超表面，以实现可调相位移动器和波束偏转[26]。通过应用各种编码序列，该超表面可以将太赫兹波束偏转42.8°的角度范围。此外，聚二甲基硅氧烷-VO₂复合薄膜[27]和伪表面等离子体极化子延迟线[28]也被用于构建太赫兹可调相位移动器。尽管实现了显著的相位移动，但仍无法满足某些需要在更宽频带内实现大相位移动的应用要求。

在这项工作中，我们实验性地展示了一种基于VO₂-金属复合超表面的动态可调宽带太赫兹相位移动器。该设备通过全波电磁仿真设计，采用微加工工艺制造，并通过THz时域光谱（THz-TDS）系统进行了表征。通过分析表面电流分布并建立等效电路模型，阐明了大带宽相位调制的基本物理机制，揭示了超表面单元中由绝缘体到金属的可逆转变引起的共振位移。这项工作为紧凑、低损耗和动态可重构的太赫兹设备提供了有希望的途径，适用于波束转向、自适应成像和高速无线通信等应用。

设备设计与仿真

我们使用基于有限积分技术的商用全波电磁计算软件CST Microwave Studio 2023对设备性能进行了仿真。在仿真过程中，选择了频域求解器，并在x和y方向设置了周期性边界条件，在z方向设置了开放边界。入射波的电场垂直于y方向入射。太赫兹波沿z轴法线入射。

物理机制分析

为了充分阐明动态幅度和相位调制的物理机制，我们研究了设备的表面电流分布，结果如图3所示。从该图中，我们可以理解在VO₂绝缘状态下的0.796 THz频率和VO₂金属状态下的0.47 THz频率下的共振动态变化。

如图3（a）所示，当VO₂的导电率为300 S/m时，电流主要分布在T形谐振器上，电场

设备制造与表征

制造过程如图5所示，包括：(a)首先在蓝宝石基板上制备一层VO₂薄膜；(b)旋涂一层正性光刻胶AZ6113并进行光刻曝光；(c)显影光刻胶并形成设计结构；(d>用深反应离子束蚀刻VO₂薄膜，然后去除光刻胶；(e>在蓝宝石基板上旋涂第二层光刻胶

结论

总之，我们提出了一种基于VO₂金属复合超表面的太赫兹宽带和大相位移动调制器，并阐明了该设备实现太赫兹波大相位移动的机制。对制造的样品进行了测试，结果显示，当VO₂从绝缘状态变为金属状态时，超表面结构发生了重构，实现了太赫兹波相位的主动控制。在0.47–––0.74 THz的宽频率范围内，相位

CRediT作者贡献声明

苏安：撰写——原始草稿，数据整理，概念化。王红英：方法论，研究，形式分析。胡芳荣：撰写——原始草稿，概念化。陈曼娥：方法论，研究，形式分析。蒋明珠：。支志恒：撰写——审阅与编辑，形式分析。罗伟宇：撰写——审阅与编辑，验证，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62065005）、广西自然科学基金（2025GXNSFAA069242）、广西壮族自治区教育厅人工智能与信息处理重点实验室（河池大学，2024GXZDSY012）以及广西研究生教育创新项目（2025YCXS146、YCBZ2023126、YCBZ2024170）的支持。