摘要：南京大學超導電子學研究所開發了具有記憶功能的可編程太赫茲超材料。通過優化熱設計，抑制了單元間的熱串擾，實現了像元的獨立控制，調制速度達到1 kHz。通過施加電流脈沖可以實現狀態的寫入、讀取和擦除，并實現了多灰階圖像的寫入和保存。此項研究在高指向性波束賦型、全息成像等方面具有良好的應用前景。
空間光調制器（spatial light modulator, SLM）是由許多獨立單元（像元）組成的陣列，這些單元可以對光的幅度、相位和偏振等參量進行調制。空間光調制器被廣泛應用于波束賦型、壓縮感知成像和數字全息等領域。在太赫茲頻段，由于缺乏合適的半導體開關元件，空間光調制器往往通過超材料設計實現。近二十年來，基于液晶、半導體、石墨烯、相變材料、微電子機械系統的太赫茲空間光調制器已有報道。然而，這些器件對電磁參量的調控往往是易失的，撤掉外部電信號后狀態會消失，因此無法以串行控制的方式尋址每個像元。因此，空間光調制器的控制線數量隨著像元數線性增加，像元規模受到制約。利用相變材料的回滯特性，每個像元可以保存切換后的狀態。這種非易失性使得每個像素可以被串行控制，從而極大減少控制線的數量。然而，相變材料的熱致相變會導致單元間存在嚴重的熱串擾，限制了器件的開關速度和陣列規模。
據麥姆斯咨詢報道，最近，南京大學電子科學與工程學院超導電子學研究所利用二氧化釩（VO2）相變材料，設計開發了一種具有記憶功能的太赫茲空間光調制器（圖1）。它由8×8個陣列單元組成，每個單元都可以通過可編程邏輯門陣列（FPGA）獨立控制。它既可以作為傳統的太赫茲空間調制器，也可以作為多階太赫茲圖像存儲器。該器件采用MIM (metal / insulator / metal)型單元結構，上下金屬板構建的FP諧振腔來增強VO2區域的電場。頂層金屬結構為寬帶的蝶形天線，并連接VO2微橋。因此，單元的反射系數主要取決于VO2的電導率。外部電信號產生的焦耳熱可改變VO2的電導率，進而實現對太赫茲波反射幅度的調控。
圖1 具有記憶功能的太赫茲可編程超材料結構和功能示意圖
焦耳熱改變VO2電導率的同時會引起周圍像元的溫度上升，從而引起熱串擾。為解決這一問題，利用高熱導率的液態金屬填充在樣品與金屬加熱板的間隙，以優化熱接觸。在像元的熱串擾測試中，采用不同幅度的偏置電壓控制相鄰的兩個像元。熱成像儀測試和仿真結果表明，熱串擾被大大抑制（圖2）。在施加直流偏置將VO2驅動至最大回滯點后，該器件可以在不同峰值電流脈沖的驅動下實現太赫茲反射幅度的多態寫入和讀取，通過撤除直流偏置可以實現狀態的擦除。在此基礎上，我們以串行寫入的方式在該空間光調制器上寫入和保存了不同強度的圖像“N”（圖3）。最后，通過不同強度電流脈沖同時寫入空間光調制器，實現了多灰階圖像的寫入。撤掉電激勵后，該圖像保存時間超過5個小時。
圖2 像元間熱串擾的測試和仿真結果
圖3 施加不同強度的電流脈沖實現多灰階圖像的寫入和5小時后的保存圖像
相關工作以“Programmable Terahertz Metamaterials with Non-Volatile Memory”為題，發表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100472)上。南京大學超導電子學研究所博士研究生陳本紋為論文的第一作者，吳敬波副教授與金飚兵教授為論文的共同通信作者，吳培亨院士在研究方向上給予了關鍵指導，電子科技大學文岐業教授課題組為該項工作提供了大力支持，南京大學李威力、張彩虹教授，范克彬副教授和陳健教授也參與了該工作。該研究受到科技部重點研發計劃（(2017YFA0700202, 2021YFB2800701），國家自然科學基金（61521001, 61731010, 62071217, 62027807, 61871212, and 61831012），中央高校基本科研業務費，江蘇省先進電磁波調控技術重點實驗室等項目的資助。
