用于动态谐波操纵的光控时域超表面

超表面是人工阵列结构，由排列在特定二维表面上的亚波长单元组成。其不仅可以在亚波长尺度上精确地定制电磁波的多种物理特性，而且还具有厚度薄、易于保形、制造相对简单等优点，因此引起了人们的极大兴趣。

时域超表面平台直接集成了高速光电检测电路和全极化可编程超表面。这种混合超表面平台允许实时对微波反射光谱进行光信号处理。

图片来源：Zhang 等人，doi 10.1117/1.AP.4.2.025001

由于崔铁军及其同事的工作，可编程超表面于2014年面世。可编程超表面能够在空间域进行EM波控制，并且自然也适用于构建时域超表面。最近，时域超表面被证实可以控制 EM 频谱，这开辟了许多有吸引力的功能，例如多普勒隐形、频率转换和直接信息处理。然而，在微波频率下工作的时域超表面通常采用的有线电气控制方法存在局限性，难以实现某些理想的功能，例如非接触式遥控。

另一种方式，通过光学控制方法提供非接触式光驱动信号，光控设备在实现先进的混合平台方面显示出巨大的潜力。最近，已经开发了反射型和透射型光控可编程超表面，以在光照下操纵 EM 光束形状和 EM 幅度。这些光学控制的超表面在空间域中操纵微波，但忽略了时域。

正如 Advanced Photonics报道的那样，东南大学（中国）的研究人员最近提出并开发了一种可编码超表面，由18*18实现了数字超表面元件，为了控制随时间变化的光信号超表面，其设计并实现了一种高速光电检测电路。其光电检测电路主要由一个光电二极管芯片和两个分级跨阻放大器组成。

光电二极管能够捕捉可见光信号并产生微弱的光电流，然后由跨阻放大器放大以提供足够强的电压驱动信号。负载变容二极管的电容可以通过可见光动态调整，从而改变超表面的反射相位。由于具有强度变化的时间编码序列的周期性光信号，超表面平台将产生基于相位调制的谐波。

在演示中，光控时域超表面由两个经过设计的时间编码序列光信号分别照亮，测量结果表明，在这两种情况下，超表面可以分别产生对称谐波和类白噪声光谱。

东南大学毫米波国家重点实验室教授、该工作的通讯作者之一魏向江表示：“实现光控时域超表面的关键是集成高速、高灵敏度光电检测电路，作为一个可编程的数字超表面。这项工作提供了一条在单一平台上用可见光在时域中控制微波的实际路线，这可能有助于开发先进的可编程多物理场设备和系统。”

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