Blog

Jun 24, 2023

Modulatore binario THz basato su silicio Schottky

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 18871 (2022) Cita questo articolo 1902 Accessi 2 Citazioni 2 Dettagli metriche altmetriche Proponiamo un modulatore THz di metasuperficie basato su risonatori ad anello diviso

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18871 (2022) Citare questo articolo

1902 Accessi

2 citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Proponiamo un modulatore THz metasuperficiale basato su risonatori ad anello diviso (SRR) formati da quattro diodi Schottky Si-Au orizzontali interconnessi. La capacità di giunzione equivalente di ciascun SRR nel modulatore proposto è molto più piccola di quella delle controparti sulla metasuperficie precedentemente riportate con giunzioni Schottky verticali, portando ad una maggiore velocità di modulazione. Per modulare un segnale incidente THz dalla metasuperficie proposta, variamo la tensione di polarizzazione applicata esternamente alle giunzioni Schottky. Applicando una polarizzazione inversa di VA = -5 V al gate Au, due risonanze LC a 0,48 THz e 0,95 THz vengono eccitate nella metasuperficie. Passando la tensione applicata a VA = + 0,49 V, diminuiamo la forza dell'oscillatore delle risonanze LC, creando una risonanza dipolare a 0,73 THz nello spettro di trasmissione del modulatore della metasuperficie. Le profondità di modulazione a queste risonanze sono superiori al 45%, raggiungendo l'87% a 0,95 THz. La modulazione di fase per questo modulatore THz è di circa 1,12 rad a 0,86 THz. Inoltre, a causa della particolare progettazione dei metaatomi, la velocità di modulazione di questo dispositivo è stimata fino a diverse centinaia di GHz, il che rende questo dispositivo un candidato appropriato per applicazioni ad alta velocità nei sistemi di comunicazione wireless basati su modulatori esterni.

La gamma di frequenza dei terahertz (THz), grazie alle sue caratteristiche desiderabili come l'energia dei fotoni che è diversi ordini di grandezza inferiore al livello di energia dei fotoni ionizzanti, la velocità di trasmissione dati terabit al secondo (Tbps), una maggiore direzionalità del collegamento, una minore vulnerabilità alle intercettazioni e minore vulnerabilità alle condizioni atmosferiche indesiderate, ha attirato ampia attenzione per l'applicazione nelle reti di comunicazione wireless ultraveloci di prossima generazione1,2,3,4. Tuttavia, la debole risposta di molti materiali naturali alle radiazioni THz ha posto molte sfide ai progressi tecnologici in questo settore5,6. Tuttavia, le caratteristiche eccezionali di alcuni metamateriali e delle loro controparti 2D (metasuperfici) hanno superato le sfide. Una metasuperficie è una serie periodica di meta-atomi (elementi metallici/dielettrici di dimensioni sub-lunghezza d'onda). È progettato per controllare opportunamente l'ampiezza, la fase o lo stato di polarizzazione dell'onda incidente7,8,9,10. Fino ad oggi, i ricercatori hanno proposto una varietà di dispositivi THz, basati su metamateriali e metasuperfici, ad esempio lenti11,12, convertitori di polarizzazione13,14,15,16, assorbitori perfetti17,18,19, piastre d'onda20 e deflettori di fascio21. In questi meta-dispositivi, a differenza dei dispositivi diffrattivi convenzionali, ciò che causa il cambiamento della fase e della polarizzazione dell'onda incidente non è la propagazione dell'onda lungo e attraverso il dispositivo. Questi cambiamenti avvengono piuttosto in modo improvviso e significativo su uno spessore di solo una frazione della lunghezza d'onda da parte dei diffusori sub-lunghezza d'onda22. I sistemi futuri si stanno muovendo verso l’intelligenza e l’adattamento al loro ambiente. Del resto oggi si pensa alla progettazione di metasuperfici che possano integrare più applicazioni in un unico dispositivo ultrasottile. Tuttavia, molte delle metasuperfici proposte sono composte da elementi passivi, rendendo impossibile la regolazione attiva delle proprietà elettromagnetiche di uscita di questi dispositivi. I ricercatori hanno proposto vari approcci per colmare questa lacuna per il controllo attivo e in tempo reale delle operazioni delle metasuperfici. Alcuni di questi ultimi metodi funzionano modificando la configurazione dei metaatomi o l'accoppiamento elettromagnetico tra risonatori adiacenti, realizzati mediante tecnologia MEMS23,24 o substrati flessibili25. In altri approcci, i ricercatori hanno utilizzato materiali sintonizzabili come VO226,27, SrTiO328, Si29,30, perovskite31 o grafene18,32,33 nella struttura della cella unitaria. È possibile modulare la risposta in uscita della metasuperficie modificando le proprietà dei materiali sintonizzabili mediante un particolare stimolo esterno come calore, luce o tensione elettrica. Nonostante la loro elevata profondità di modulazione, i dispositivi sintonizzati termicamente, tra questi metodi, non possiedono una notevole velocità di modulazione. Il controllo meccanico soffre del deprezzamento dei componenti. Sebbene la tecnica ottica fornisca la modulazione più rapida, tra tutti gli altri metodi, richiede una costosa sorgente ottica di ingresso e apparecchiature di pompazione della luce, con le sue difficoltà. Tra i metodi di modulazione citati per ottimizzare una metasuperficie, è vantaggioso l'approccio elettrico, con velocità di modulazione e larghezza di banda adeguate, ampio intervallo dinamico ed essere compatibile con CMOS. Un esempio della metasuperficie THz sintonizzata elettricamente è quella proposta in34. Lì, hanno modulato le onde THz incidenti modificando la polarizzazione applicata alle giunzioni Schottky formate tra la metasuperficie e il substrato semiconduttore drogato con una velocità di modulazione nell’intervallo dei kHz. Questo lavoro è diventato il preludio alla progettazione di dispositivi THz sintonizzabili compositi semiconduttori drogati e metasuperficie21,35,36,37,38,39, che nella migliore delle ipotesi hanno fornito una velocità di modulazione di diversi MHz. Ibridando metasuperfici THz con transistor pseudomorfi ad alta mobilità elettronica (pHEMT)40,41,42,43,44,45,46, recentemente è emerso un diverso tipo di modulatori THz sintonizzati elettricamente. Sebbene attraverso questo approccio, la modulazione dell'onda THz si basi sui cambiamenti nella concentrazione dei portatori di strati di gas di elettroni bidimensionali (2DEG) spessi nm mediante una tensione di polarizzazione elettrica, è possibile raggiungere la velocità di modulazione della gamma GHz. Tali dispositivi soffrono di carenze, come una bassa forza di risonanza e un'elevata perdita di inserzione, e rappresentano un compromesso tra velocità di modulazione e miglioramento della profondità45,46. Posizionando diodi PIN o varactor negli spazi vuoti dei risonatori meta-split-ring (SRR), è possibile convertire le risonanze della metasuperficie nella gamma di frequenze delle microonde. Questa conversione in modalità risonante può includere la conversione da induttore-condensatore (LC) a LC o da LC a dipolo.