用于双频段双检测模式光振幅复用技术的跨频率自旋解耦太赫兹超表面

《Optics & Laser Technology》：A cross-frequency spin-decoupled terahertz metasurface for dual-band dual-sense OAM multiplexing

　　摘要
太赫兹波元表面通过利用频率、极化和空间模式这三种自由度，为高容量波前工程提供了平台。然而，对于单层反射型太赫兹波元表面而言，要在同时存在不同工作频率和圆偏振手性的两个通道中实现独立的轨道角动量编码仍是一项挑战。本文提出了一种跨频率自旋解耦相位调制机制，该机制结合了潘查拉特南-贝里相位与动态相位，从而在双频双向通道中实现独立的轨道角动量波前编码。所设计的两个目标通道分别为1太赫兹左旋圆偏振波和0.8太赫兹右旋圆偏振波。全波仿真结果显示，该波元表面能在1太赫兹左旋圆偏振波通道产生+1的轨道角动量模式，在0.8太赫兹右旋圆偏振波通道产生-2的轨道角动量模式，其导向方向分别为(90°, –3°)和(-90°, 5°)，对应的模式纯度分别为0.87和0.85。这些结果为跨频率自旋解耦轨道角动量多路复用提供了基于仿真的概念验证，并为实现紧凑型多维太赫兹波前操控指明了可行路径。

引言
太赫兹波位于微波与红外波段之间，具有超宽带宽、高空间分辨率以及强大的光谱识别能力，因此在高速无线通信、成像、传感和光谱分析等领域展现出巨大潜力[1]–[5]。随着太赫兹源、探测器及准光学系统的发展，太赫兹系统正从单一波束操控向高容量、多通道、多功能波前控制方向发展。因此，在有限的光谱资源下如何充分利用频率、极化和空间模式等多种物理自由度，已成为提升太赫兹系统容量和功能集成度的关键问题[6]–[12]。

轨道角动量以其螺旋形相位前沿为特征，可通过引入多个正交通道为多路复用提供额外的自由度[13]–[14]。在这方面，由于结构紧凑且设计灵活，波元表面已成为在微波、太赫兹和光学波段实现轨道角动量波束生成与操控的有效平台[15]–[21]。它们也被广泛用于太赫兹系统的波束整形、聚焦和波前工程中[22]–[29]。

为进一步提升多路复用能力，人们将轨道角动量控制与极化控制相结合，以实现多极化轨道角动量波束[30]–[35]。与线偏振波相比，圆偏振波对极化失配的敏感度更低，能够在无线通信和成像系统中提供更高的链路稳定性[36]–[38]。自旋解耦波元表面为独立操控圆偏振通道提供了重要途径：通过结合潘查拉特南-贝里相位与动态相位，可在相同工作频率下分别独立设定左旋圆偏振波和右旋圆偏振波的相位响应[39]–[41]。在太赫兹领域，相关的自旋解耦波元表面也被应用于多通道波前控制、极化选择性调制以及信息加密等方面[42]–[44]。

然而，现有的大多数自旋解耦波元表面仅专注于在单一频率下对左旋/右旋圆偏振波进行操控。尽管诸如VO2相变或钙钛矿相变之类的主动或可重构机制能够增加可用通道的数量，但它们通常会引入额外的材料、复杂的结构或耦合的多物理效应[45]–[49]。因此，这些方法并未直接提供一种紧凑的单层相位调制规则，用以在频率和圆偏振手性两个维度上独立编码轨道角动量波前。

人们还通过空间交错单元结构、共享几何参数、多共振单元、多参数优化以及编码波元表面等方法，探索了双频及多频太赫兹轨道角动量波元表面[27]–[57]。这类设计虽具备重要的频域功能，但由于不同频率下的相位响应往往通过共享的结构参数、空间分割或共振色散而相互关联，因此仅靠频率分离并无法确保轨道角动量相位轮廓的可独立编程性，尤其是在多个波束、辐射方向或功能响应存在重叠的情况下。此外，许多现有的双频太赫兹轨道角动量波元表面是在线偏振或双线偏振条件下工作的，未能充分利用圆偏振自旋自由度。

双频双向圆偏振配置，即在不同工作频段分配相反的圆偏振手性，已被用于天线系统中以实现频率-极化通道区分并提升链路稳定性[58]–[61]。例如，为不同频段分配左旋圆偏振和右旋圆偏振响应，即可形成在频率和极化两方面都具有区分度的通道。不过，这些研究主要针对天线辐射元件、馈电网络或多层集成结构，其目的主要是提升天线辐射性能和链路性能，而非在太赫兹波元表面中实现轨道角动量波前工程。因此，双频双向圆偏振配置虽然是一种有用的通道配置方式，但其本身并不能作为单层太赫兹轨道角动量波元表面的相位合成机制。

综上所述，现有方法仍存在一个未解决的问题：目前仍缺乏一种紧凑的单层反射型太赫兹波元表面相位调制机制，能够在工作频率和圆偏振手性均不同的两个通道中独立编码轨道角动量波前。这里的挑战并非仅仅是在两个不同频率下产生两个波束，而是在为相应通道分配不同的轨道角动量拓扑电荷和导向方向的同时，还能实现频率与自旋的区分。

在本研究中，我们如图1所示，提出了一种用于双频双向轨道角动量多路复用的跨频率自旋解耦反射型太赫兹波元表面。所设计的通道配置为双频双向圆偏振配置，即两个轨道角动量通道分别为1太赫兹左旋圆偏振波和0.8太赫兹右旋圆偏振波。所提出的机制结合了能够提供自旋相关相位响应的潘查拉特南-贝里相位，以及能够实现频率相关相位匹配的动态相位。在此框架下，双频双向圆偏振配置决定了频率与极化层面的通道结构，而跨频率自旋解耦相位调制则是一种设计机制，使得能够在这些通道中独立实现轨道角动量波前编码。全波仿真结果显示，该单层反射型波元表面能在两个目标通道中分别产生+1和-2的轨道角动量模式，其模式纯度分别为0.87和0.85。因此，本研究为单层反射型太赫兹波元表面中的跨频率自旋解耦轨道角动量多路复用提供了基于仿真的概念验证。

章节节选
跨频率自旋解耦原理
首先，基于[40]中提出的单频段自旋解耦方法，本研究探讨了一种实现跨频率自旋解耦的方案。假设该波元表面对于左旋圆偏振波和右旋圆偏振波的共偏振和交叉偏振反射系数分别为ΓLL、ΓRR、ΓLR和ΓRL，那么这两种波的反射相位可表示为：
P(ΓLL)=PD(ΓLL)+PB(ΓLL)
P(ΓRR)=PD(ΓRR)+PB(ΓRR)
其中下标“D”表示动态相位。

单元结构设计与分析
考虑到太赫兹器件制造过程中存在的各种技术难题，我们选择了一种结构更为简单的双箭头单元结构用于方法验证。图2(a)展示了本研究所设计的波元表面单元结构，它由金属接地层、介质衬底以及金属功能层组成。该功能层由一个双箭头单元结构构成，该单元结构位于介电常数为3.0的聚酰亚胺介质层之上。其他参数设定如下：h1 = 55 μm，d = 135 μm。

结论
总之，我们提出了一种用于双频双向轨道角动量多路复用的跨频率自旋解耦反射型太赫兹波元表面。通过将动态相位与潘查拉特南-贝里相位相结合，该方法能够在工作频率不同且圆偏振手性相反的两个目标通道——即1太赫兹左旋圆偏振波通道和0.8太赫兹右旋圆偏振波通道——中实现独立的轨道角动量相位编码。全波仿真结果表明，该波元表面能在1太赫兹左旋圆偏振波通道产生+1的轨道角动量模式，而在0.8太赫兹右旋圆偏振波通道产生相应的轨道角动量模式。

作者贡献说明
马宇天：论文撰写与修改、初稿撰写、软件应用、方法设计。张博航：论文撰写与修改、初稿撰写、软件应用、资源协调。王子潇：方法设计、形式分析、数据整理。刘成革：软件应用、数据整理。谢一林：软件应用、方法设计。张军：论文撰写与修改、软件应用。齐晓飞：项目监督、软件应用、资源协调。陈成：论文撰写与修改、项目监督、软件应用。高明扬：论文撰写与修改。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62374134）的支持。

作者名单：马宇天|张博航|王子潇|刘成革|谢一林|张军|齐晓飞|陈成|高明扬|赵武