Science Advances：太赫兹智能超表面实现自适应波束操控

撰稿|由课题组供稿

太赫兹波(0.1~10 THz)在电磁频谱上介于微波和红外光之间，作为电磁频谱中唯一尚待开发的波段，在无线通信、雷达和成像等方面具有重要的应用价值。近年来，可编程超表面涌现出来，它由于具备强大灵活的太赫兹波调控能力，已成为波束赋型、压缩成像等应用的关键组件。随着机器学习等人工智能算法的发展，算法驱动的智能超表面可以依据应用场景由软件来配置功能，极大丰富了可编程超表面的功能和应用范围。

如果给可编程超表面赋予一双“眼睛”，它自身能够感知周围电磁环境并做出响应，这种智能超表面无需人工介入就具备全天候的电磁调控能力，在无线通信信道的建立和调整、自适应电磁隐身等实际应用场景中有着巨大的应用潜力。当前，微波段的智能超表面已有报道，但这些超表面器件大多需要借助外部检测器实现环境的探测感知，难以实现集成化。在太赫兹和光学波段，微波段常用的半导体开关元件无法使用，智能超表面亟待开辟新的技术方案。此外，低成本太赫兹检测器的匮乏也使得太赫兹智能超表面的开发面临困境。

鉴于此，近日，南京大学电子科学与工程学院吴培亨院士课题组的金飚兵教授和吴敬波教授联合湖北大学、紫金山实验室等多个研究团队，采用相变材料研制出太赫兹智能超表面。充分利用二氧化钒在相变过程中电导率调谐范围大和电阻温度系数高的特性，研制出集成太赫兹波振幅、相位调控和检测功能单元的阵列器件。解决了电致焦耳热激励相变时带来的热串扰，该1×48阵列器件的每一阵元均可独立电寻址，实现了太赫兹波束的实时动态可调。构建了感知-反应系统，在无人环境下由算法驱动自行实现了太赫兹波束赋型以及反射强度的实时维持。

  该成果以“Electrically addressable integrated intelligent terahertz metasurface”为题发表在Science Advances （https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1296）。南京大学吴敬波教授和金飚兵教授为论文共同通讯作者，南京大学博士研究生陈本纹为第一作者，湖北大学研究生王歆茹和何云斌教授提供了关键支持，南京大学范克彬副教授、张彩虹教授、陈健教授和吴培亨院士给予了重要建议，南京大学博士后李春、研究生李威力、王兆松和郭航兵亦有重要贡献。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和江苏省电磁波先进调控技术重点实验室经费的支持。

为了提高该智能超表面作为太赫兹测辐射热计的响应度，依据响应度公式，研究人员采用金属蝶形天线嵌入二氧化钒微桥的结构以降低热容。为了增强太赫兹波与二氧化钒的相互作用以提升调制性能，引入金属背板构建FP谐振腔。超表面单元结构为金属-介质-金属(MIM)型，通过电控二氧化钒处于不同状态（如绝缘态、中间态和金属态）来实现振幅相位调控。在中间态，单元结构对0.425 THz的太赫兹波接近完美吸收。当二氧化钒完全相变后，在该频率点处的反射幅度却与绝缘态时的一致但相位差为π，从而可以实现1比特的相位编码条件（见图1）。

图1：（a）太赫兹智能超表面的单元结构，VO₂处于不同状态下的（b）反射幅度谱和（c）相位谱以及处于中间态时的电场分布。这里，OFF、IM和ON三种状态对应的VO₂电导率分别为6×10³、4×10⁴和2.5×10⁵ S/m。

     基于以上单元结构设计，研究人员开发了阵列大小为1×48的太赫兹智能超表面。研究人员对制备的器件进行了波束调控和检测性能的表征。通过软件控制开关矩阵选通相应的阵元并用20 V电压驱动相变，从而实现超表面反射编码相位分布的调控。根据广义斯涅尔定律可知，通过不同编码序列来引入不同的相位梯度便可改变波束的倾斜角。实验中，该太赫兹智能超表面能够实现最大倾斜角为42.8°的波束偏转。此外，作为测辐射热计，其对0.425 THz太赫兹波的响应度为13.6 V/W，表明其具备一定的太赫兹波探测能力。图2给出了制备的实物图及检测调制功能测试结果。

图2：（a）太赫兹智能超表面实物图，（b）不同编码序列的远场电场分布和（c）作为检测器时的电压输出与调制频率的关系曲线。

    采用这种兼具太赫兹波检测和调控能力的单片集成器件，研究人员构建了感知-反应系统。在系统中，太赫兹智能器件中的某一阵元作为检测器实时感知入射太赫兹波的强度，该阵元视为感知阵元，其余阵元为调控阵元。这一感知-反应系统可以根据应用场景的需求开发相关算法，实现功能的软件定义。针对移动通信中智能超表面盲区覆盖和抗同信道干扰的应用需求，研究人员开发了两个功能性演示。

第一个演示中，利用智能超表面，成功实现了太赫兹波束偏转的自适应操控。当入射太赫兹波强度P_i超过阈值P_th，则启动相应的编码序列，进入波束操控模式，将太赫兹波束反射至通信盲区实现盲区的信号覆盖，此时反射的信号由商用检测器接收以判断太赫兹波束是否被倾斜至指定方向；而当入射强度低于阈值P_th时，则认为为无太赫兹波入射至超表面，此时其他阵元处于待机节能模式（Power saving mode, PS）。这两种模式对应的光路示意图见图3，图3也给出了系统在感知到入射太赫兹波状态的变化后能在3秒时间内进行上述两种模式的切换，这一过程无需人为介入。

图3：感知-反应系统分别处于（a）波束操控模式和（b）节能模式的光路示意图，（c）智能超表面自主操控太赫兹波束过程中各个信号的时序图

太赫兹智能超表面还可以实现振幅调控，研究人员基于该特性实现了自适应维持反射功率的功能性演示，如图4所示。当感知阵元检测到太赫兹入射功率大于阈值V_th2后，调控阵元便由10 mA直流电流驱动至中间态，此时其反射率下降，超表面反射的太赫兹功率减小。若此时感知阵元检测到太赫兹入射功率减小至V_th1以下，则关闭10 mA直流电流，调控阵元的吸收率减小，超表面反射的太赫兹功率得以维持在原来的强度而不受入射功率的波动所影响。

图4：（a）太赫兹智能器件自主维持反射功率的光路示意图，（b）算法流程图以及（c）维持反射强度过程中各信号的时序图。

该工作基于相变材料在太赫兹频段首次提出了兼具调控和检测功能的智能超表面，为软件可定义、集成化的智能超表面提供了低成本的解决方案。此外，在太赫兹、红外、可见光等频段，许多可调谐材料如石墨烯、半导体异质结、相变材料等，既可以作为电磁波的检测单元，也可以用于电磁波的调制。因此，这一设计思路可以拓展到上述材料中，并延伸至其它电磁波频段，为太赫兹至光学频段智能超表面的开发提供了一条通用的路径。

论文信息：

Benwen Chen, Xinru Wang, Weili Li, Chun Li, Zhaosong Wang, Hangbin Guo, Jingbo Wu, Kebin Fan, Caihong Zhang, Yunbin He, Biaobing Jin, Jian Chen, and Peiheng Wu, Electrically addressable integrated intelligent terahertz metasurface, Sci. Adv. 8, eadd1296 (2022).

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1296