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Jun 24, 2023

Modulateur binaire THz à base de silicium Schottky

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 18871 (2022) Citer cet article 1902 Accès 2 Citations 2 Détails Altmetric Metrics Nous proposons un modulateur THz métasurface basé sur des résonateurs à anneaux brisés

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18871 (2022) Citer cet article

1902 Accès

2 citations

2 Altmétrique

Détails des métriques

Nous proposons un modulateur THz métasurface basé sur des résonateurs à anneau divisé (SRR) formés de quatre diodes Schottky Si – Au horizontales interconnectées. La capacité de jonction équivalente de chaque SRR dans le modulateur proposé est beaucoup plus petite que celle des homologues métasurfaces précédemment signalés avec des jonctions Schottky verticales, ce qui conduit à une vitesse de modulation plus élevée. Pour moduler un signal incident THz par la métasurface proposée, nous faisons varier la tension de polarisation appliquée en externe aux jonctions Schottky. En appliquant une polarisation inverse de VA = − 5 V à la porte Au, deux résonances LC à 0, 48 THz et 0, 95 THz sont excitées dans la métasurface. En commutant la tension appliquée sur VA = + 0,49 V, nous diminuons les forces d'oscillateur des résonances LC, créant ainsi une résonance dipolaire à 0,73 THz dans le spectre de transmission du modulateur métasurface. Les profondeurs de modulation à ces résonances sont supérieures à 45 %, atteignant 87 % à 0,95 THz. La modulation de phase de ce modulateur THz est d'environ 1,12 rad à 0,86 THz. De plus, en raison de la conception particulière des métaatomes, la vitesse de modulation de ce dispositif est estimée jusqu'à environ plusieurs centaines de GHz, ce qui fait de ce dispositif un candidat approprié pour les applications à haut débit dans les systèmes de communications sans fil basés sur des modulateurs externes.

La plage de fréquences térahertz (THz), en raison de ses caractéristiques souhaitables telles que l'énergie des photons étant inférieure de plusieurs ordres de grandeur au niveau d'énergie des photons ionisants, le débit de données en térabit par seconde (Tbps), la directionnalité de liaison plus élevée, la vulnérabilité moindre aux écoutes clandestines et moins vulnérable aux conditions météorologiques indésirables, a attiré beaucoup d'attention pour son application dans les réseaux de communication sans fil ultra-rapides de nouvelle génération1,2,3,4. Cependant, la faible réponse de nombreux matériaux naturels au rayonnement THz a posé de nombreux défis aux progrès technologiques dans ce domaine5,6. Néanmoins, les caractéristiques exceptionnelles de certains métamatériaux et de leurs homologues 2D (métasurfaces) ont dépassé les défis. Une métasurface est un réseau périodique de méta-atomes (éléments métalliques/diélectriques de dimensions inférieures à la longueur d'onde). Il est conçu pour contrôler l’amplitude, la phase ou l’état de polarisation de l’onde incidente, de manière souhaitable7,8,9,10. À ce jour, les chercheurs ont proposé une variété de dispositifs THz, basés sur des métamatériaux et des métasurfaces : par exemple, des lentilles11,12, des convertisseurs de polarisation13,14,15,16, des absorbeurs parfaits17,18,19, des plaques d'onde20 et des déflecteurs de faisceau21. Dans ces méta-dispositifs, contrairement aux dispositifs diffractifs conventionnels, ce qui provoque le changement de phase et de polarisation de l'onde incidente, n'est pas la propagation de l'onde le long et à travers le dispositif. Ces changements se produisent plutôt brusquement et de manière significative sur une épaisseur de seulement une fraction de la longueur d'onde par les diffuseurs sub-longueur d'onde22. Les futurs systèmes tendent à devenir intelligents et adaptatifs à leur environnement. Par ailleurs, les esprits réfléchissent aujourd’hui à la conception de métasurfaces pouvant intégrer plusieurs applications dans un seul dispositif ultra-mince. Cependant, bon nombre des métasurfaces proposées sont composées d’éléments passifs, ce qui rend impossible le réglage actif des propriétés électromagnétiques de sortie de ces dispositifs. Les chercheurs ont proposé diverses approches pour combler cette lacune en matière de contrôle actif et en temps réel des opérations sur les métasurfaces. Certaines de ces dernières méthodes fonctionnent en modifiant la configuration des métaatomes ou en couplant électromagnétiquement entre résonateurs adjacents, réalisés par la technologie MEMS23,24 ou des substrats flexibles25. Dans d’autres approches, les chercheurs ont utilisé des matériaux accordables comme VO226,27, SrTiO328, Si29,30, pérovskite31 ou graphène18,32,33 dans la structure des cellules unitaires. On peut moduler la réponse de sortie de la métasurface en modifiant les propriétés des matériaux accordables par un stimulus externe particulier comme la chaleur, la lumière ou une tension électrique. Malgré leur profondeur de modulation élevée, les dispositifs à réglage thermique, parmi ces méthodes, ne possèdent pas une vitesse de modulation considérable. La commande mécanique souffre de la dépréciation des composants. Bien que la technique optique donne la modulation la plus rapide, parmi toutes les autres méthodes, elle nécessite une source optique d'entrée coûteuse et un équipement de pompe de lumière, ce qui présente des difficultés. Parmi les méthodes de modulation nommées pour régler une métasurface, l'approche électrique, ayant une vitesse de modulation et une bande passante appropriées, une large plage dynamique et étant compatible CMOS, est avantageuse. Un exemple de métasurface THz réglée électriquement est celui proposé dans34. Là, ils ont modulé les ondes THz incidentes en modifiant la polarisation appliquée aux jonctions Schottky formées entre la métasurface et le substrat semi-conducteur dopé avec une vitesse de modulation de l'ordre du kHz. Ce travail est devenu le prélude à la conception de dispositifs THz accordables composites semi-conducteurs-métasurface dopés21,35,36,37,38,39, qui ont au mieux fourni une vitesse de modulation de plusieurs MHz. En hybridant des métasurfaces THz avec des transistors pseudomorphes à haute mobilité électronique (pHEMT)40,41,42,43,44,45,46, un type différent de modulateurs THz réglés électriquement est apparu récemment. Bien que grâce à cette approche, la modulation des ondes THz soit basée sur les modifications de la concentration de porteurs de couches de gaz électronique bidimensionnel (2DEG) d'une épaisseur de nm par une tension de polarisation électrique, il est possible d'atteindre la vitesse de modulation de la plage GHz. De tels dispositifs souffrent de défauts, comme une faible force de résonance et une perte d'insertion élevée, et posent un compromis entre la vitesse de modulation et l'amélioration de la profondeur45,46. En plaçant des diodes PIN ou varactor dans les espaces des résonateurs méta-anneaux divisés (SRR), on peut convertir les résonances métasurface dans la gamme de fréquences micro-ondes. Cette conversion de mode résonant peut inclure la conversion d'une inductance-condensateur (LC) en LC ou d'une LC en dipôle.