基于砷化镓的空间偏振频率复用超表面技术，用于太赫兹加密通信

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Gallium arsenide-enabled spatial-polarization-frequency multiplexing metasurface for terahertz encrypted communication

太赫兹加密通信中基于GaAs/VO?异质结构的多维超表面多路复用技术研究。通过空间、极化、频率三重参数独立调控，实现16通道相位加密，每个通道对应基16编码字符，需结合特定入射方向、频率、极化及材料相态完成解密。

　　这项研究提出了一种基于高砷化镓（GaAs）和二氧化钒（VO?）的多通道超表面，用于太赫兹（THz）加密通信。这一技术旨在提升现代数字社会中信息安全性，通过结合空间、偏振和频率的多路复用能力，实现更加复杂和安全的通信方式。超表面是一种具有亚波长结构的平面材料，能够精确操控电磁波的传播特性，从而在信息加密和解密过程中提供更高的安全性。

太赫兹波位于微波和红外光之间，因其非电离穿透能力和出色的光谱分辨率而受到广泛关注。这些特性使得太赫兹技术在成像、传感和通信系统中具有广阔的应用前景。特别是，太赫兹全息术利用超表面来工程电磁波前，实现复杂振幅和相位的精确重构。这一技术的突破推动了光学信息处理领域的发展，为高安全性信息传输提供了新的可能性。

在当前的太赫兹超表面全息通信研究中，虽然已经取得了一定进展，但仍然面临一些挑战。例如，通道复用能力的限制和成像分辨率的不足，使得数据传输能力受到限制。此外，如何将可重构的太赫兹超表面与物理层加密协议相结合，特别是在动态调制的多天线平台中，仍然是一个新兴的研究领域。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于多通道复用的加密通信架构，利用GaAs和VO?作为关键的活性材料，实现对16个通道的独立控制。

GaAs作为一种重要的活性材料，其特性使得它在太赫兹波的操控中具有独特优势。当GaAs层受到光学泵浦时，其电阻率会降低，从而进入低电阻状态。这种状态的变化使得超表面能够独立操控0.76 THz和1.32 THz的入射波，每种波具有可选的x-LP或y-LP偏振，并沿±z方向传播，生成8个通道。而在没有光学泵浦的情况下，GaAs会进入高电阻状态，此时其导电性下降，使得超表面无法有效操控电磁波的传播。

VO?作为另一种关键活性材料，具有可逆的金属-绝缘体相变（MIT）特性，伴随着电阻率的显著变化。MIT可以在多种刺激下被触发，从而实现对超表面的灵活控制。当VO?处于绝缘状态时，超表面能够独立操控0.9 THz的入射波，每种波具有x-LP或y-LP偏振，并沿±z方向传播，生成4个通道。而当VO?处于金属状态时，超表面则会重新配置其相位分布，分别沿±z方向传播，从而生成另外4个通道。通过这些16个通道的组合，可以生成不同的全息图像，这些图像代表了十六进制的字符（A-F，0–9），每个图像对应一个唯一的十六进制编码符号。

在通信过程中，接收端必须使用与发送端相同的超表面作为物理密钥，才能成功解密信息。此外，解密过程严格依赖于预定的条件，包括特定的入射方向、工作频率、偏振特征以及活性材料的相变状态。这些多方面的物理约束机制显著增强了通信系统的安全性，使得信息传输更加难以被截获或破解。

为了实现这一目标，研究团队设计了一种具有多通道复用能力的超表面结构。该结构由十一层组成，对称于第六层的金属薄膜，作为中心轴。第一层是GaAs材料，而其他层则根据功能需求进行设计。例如，四个L形图案的臂长度沿x轴和y轴分别为g?和g?，宽度为w?。而中央的十字图案的臂长度沿x轴和y轴分别为g?和g?，宽度为w?。这些设计使得超表面能够在不同的频率和偏振条件下实现对入射波的操控，从而生成不同的全息图像。

此外，研究团队还探讨了这种超表面的制造工艺。制造过程包括对石英基板进行顺序的超声清洗，使用丙酮、乙醇和去离子水去除杂质，随后进行O?等离子体处理，以增强表面活性并提高附着力。接着，通过磁控溅射技术在氩气（Ar）氛围下，以5帕压力沉积金薄膜。然后，使用聚酰亚胺溶液进行旋涂和固化，形成一层介电间隔层。最后，将金薄膜与其他层结合，形成完整的超表面结构。

这一技术的实现不仅依赖于材料的选择，还依赖于超表面的精确设计和制造工艺。通过GaAs和VO?的协同作用，超表面能够在不同的条件下实现对电磁波的操控，从而生成不同的全息图像。这些图像不仅能够代表十六进制的字符，还能够用于信息的加密和解密。这种多通道复用的加密通信架构，为实现高安全性信息传输提供了新的思路和方法。

在实验验证方面，研究团队构建了一个40×40元的超表面模型，并对不同频率和偏振条件下的电磁波传播进行了模拟。结果表明，该超表面能够在特定条件下生成不同的全息图像，从而实现信息的加密和解密。此外，研究团队还对超表面的性能进行了分析，包括其对不同频率和偏振条件的响应能力，以及在不同相变状态下的操控效果。

这一研究的成果不仅具有重要的理论价值，还具有广泛的实际应用前景。通过结合GaAs和VO?的特性，超表面能够在不同的条件下实现对电磁波的操控，从而生成不同的全息图像。这些图像不仅能够代表十六进制的字符，还能够用于信息的加密和解密。这种多通道复用的加密通信架构，为实现高安全性信息传输提供了新的可能性。

此外，研究团队还探讨了这种技术的潜在应用。例如，在安全通信、数据加密和信息处理等领域，这种技术可以提供更高的安全性。通过使用不同的频率、偏振和相变状态，可以生成不同的全息图像，从而实现信息的多层加密。这种加密方式不仅能够提高信息传输的安全性，还能够增强通信系统的抗干扰能力。

总的来说，这项研究提出了一种基于多通道复用的太赫兹加密通信架构，利用GaAs和VO?作为关键的活性材料，实现对16个通道的独立控制。通过结合空间、偏振和频率的多路复用能力，这一技术能够生成不同的全息图像，从而实现信息的加密和解密。这种多方面的物理约束机制显著增强了通信系统的安全性，为实现高安全性信息传输提供了新的思路和方法。