反射式超构表面实现自旋角动量到轨道角动量的任意转换- 大数跨境

两江科技评论

2019-04-24

导读：南京大学电子科学与工程学院冯一军教授研究团队将超构表面的传播相位和几何相位相结合，研究了电磁波自旋角动量到轨道角动量的转换方法，以反射型各向异性单元为基础，通过特定空间分布设计，在微波段利用左旋和右旋

导读

近日，南京大学电子科学与工程学院冯一军教授研究团队将超构表面（metasurface）的传播相位和几何相位相结合，研究了电磁波自旋角动量（Spin angular momentum, 简称SAM）到轨道角动量（Orbital angular momentum，简称OAM）的转换方法，从而以高效的反射型各向异性单元为基础，通过特定的空间分布设计，在微波段利用左旋和右旋圆极化电磁波产生独立、任意的涡旋电磁波束，为实现更加灵活的SAM到OAM转换提供了新的有效途径。

SAM到OAM任意转换的超构表面功能效果示意图

携带OAM的涡旋波束在通信领域具有较大潜在应用价值，因而该研究能够为设计高通信容量的多功能涡旋波束器件提供有益指导。相关研究成果以《Dual-Helicity Decoupled Coding Metasurface for Independent Spin-to-Orbital Angular Momentum Conversion》为题，发表在近期的《Physical Review Applied》上（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044043）。论文第一作者为博士生丁国文，陈克博士、冯一军教授为论文共同通讯作者。

研究背景

近年来，为适应通信领域对信道容量需求的飞速增长，多输入多输出（MIMO）技术、可重构技术及携带OAM的涡旋波束应运而生。单个通信信道中可以传输工作在相同频率的多个正交模式的涡旋波束，这将极大地提高通信容量与数据传输速度，因此已成为当前的研究热点之一。近期，已有研究人员利用几何相位超构表面实现了圆极化电磁波到涡旋波束的调控，但是几何相位超构表面对两个正交圆极化电磁波的相位响应恰好相反。当左、右旋圆极化电磁波分别照射于这种类型的超构表面时，由超构表面产生的涡旋波束的拓扑模式数恰好相反。因此，如何实现正交圆极化电磁波到涡旋波束的完全独立、任意、去耦式调控仍然是一个亟需解决的关键问题。

创新研究

研究人员通过设计并旋转各向异性单元结构，将传播相位和几何相位相结合，利用反射式超构表面实现了电磁波SAM到OAM转换的独立控制。如图1所示，该超构表面在左旋圆极化入射时，产生具有一定异常反射角的OAM模式为+2和模式为0（平面波）的涡旋电磁波，而在右旋圆极化入射时，产生OAM模式为+1和模式为-1的异常反射涡旋电磁波，且这四个波束的散射方向、模式数可以任意、独立设计。

该研究首先通过理论模型分析推导出实现独立控制电磁波SAM到OAM转换所需要的传播相位和几何相位。通过设计各向异性单元，以满足理论分析得出的相位要求。为了简化设计过程，将左旋、右旋圆极化的相位响应进行编码化设计，且采用64种单元实现3-比特左旋、右旋圆极化波的相位独立控制（如图2所示）。如图3所示，为了验证该理论模型，研究人员分别设计了三种超构表面用以实现独立的圆极化调控功能，即在左旋、右旋圆极化入射时，该超构表面能够独立生成不同OAM模式的涡旋电磁波。最后，对第一种超构表面进行了样品加工与实验测试。实验结果验证了该理论模型的正确性（如图4所示）。这种设计方法为实现不同SAM到OAM的独立控制提供了新的有效途径，该方法也可以很方便地扩展到其他频段，如毫米波、太赫兹甚至光学波段。

图文速览

图1 实现SAM到OAM转换的编码超构表面的功能示意图

（a）超构表面在左旋圆极化入射时，产生OAM模式为+2和模式为0（平面波）的异常反射涡旋电磁波；

（b）超构表面在右旋圆极化入射时，产生OAM模式为+1和模式为-1的异常反射涡旋电磁波。

图2 实现左旋、右旋圆极化波相位独立控制的3-比特64种单元结构

图3 实现SAM到OAM转换的编码超构表面的性能分析

（a, e, i）三种超构表面对应的左旋圆极化的相位编码图案；

（b, f, j）三种超构表面对应的右旋圆极化的相位编码图案；

（c, g, k）分别为相应的左旋圆极化辐射方向图；

（d, h, l）分别为相应的右旋圆极化辐射方向图。

图4 实验和仿真分析结果对比

（a）超构表面样品；

（b）在16 GHz处涡旋波（OAM模式为+1）的近场相位的仿真分析和实验测试结果；

（c）在12 GHz到18 GHz的xoz平面内二维归一化辐射方向图的仿真分析和实验测试结果对比；

（d）在16 GHz处xoz平面内二维归一化辐射方向图的仿真分析和实验测试结果对比；

（e）在12 GHz到18 GHz的yoz平面内二维归一化辐射方向图的仿真分析和实验测试结果对比；

（f）在16 GHz处yoz平面内二维归一化辐射方向图的仿真分析和实验测试结果对比。

参考文献

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文章链接

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044043

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