Dispositivos compuestos de metamateriales de cristal líquido.
Los cristales líquidos de fase nemática se han utilizado ampliamente para la modulación de fase en la banda de longitud de onda visible y son valiosos para aplicaciones en la banda de longitud de onda de terahercios. Sin embargo, para obtener un desplazamiento de fase suficientemente grande, el grosor del cristal líquido debe ser similar a la longitud de onda, lo que aumenta el tiempo de modulación-recuperación, lo que representa un desafío para las aplicaciones de terahercios. La combinación de materiales de cristal líquido con metamateriales puede reducir en gran medida el grosor del cristal líquido, disminuir el voltaje de accionamiento, aumentar la velocidad de conmutación del dispositivo y utilizar la hipersuperficie para generar una gama de aplicaciones funcionales.
Dispositivos de metamateriales de materiales de cambio de fase.
Utilizar el proceso de materiales de cambio de fase (GST, VO2, etc.) que se convierten de forma cristalina a amorfa bajo modulación de accionamiento externo provoca cambios en el índice de refracción y el coeficiente de absorción de los materiales, lo que puede generar escenarios de aplicación ricos para la modulación activa de dispositivos de metamateriales compuestos para satisfacer diferentes requisitos de aplicación (Fig. 1b). En la actualidad, los materiales de cambio de fase se accionan por diversos medios, con sus propias ventajas y desventajas.
Dispositivos de metamateriales de grafeno.
La conductividad del grafeno en la banda de terahercios está correlacionada positivamente con la conductividad de CC, por lo que se puede lograr una modulación eficiente y de banda ancha de las ondas de terahercios modulando el nivel de energía de Fermi. Las aplicaciones de modulación típicas incluyen dispositivos ópticos tipo diodo, dispositivos de modulación de fase de banda ancha, dispositivos de memoria óptica y dispositivos no lineales. La velocidad de modulación de los dispositivos basados en metamateriales de grafeno impulsados eléctricamente sigue estando limitada por el tiempo RC; además, su propio grosor limitado limita la fuerza de la interacción con la luz y deben depender de la mejora del campo local extremadamente fuerte del metamaterial para mejorar la profundidad de modulación.
Dispositivos de metamateriales MEMS.
Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) son una parte fundamental de los sistemas integrados más avanzados disponibles. Basándose en el procesamiento maduro y la amplia gama de aplicaciones de los MEMS, su tecnología puede extenderse bien para aplicaciones en la banda de terahercios, y uno de los escenarios de aplicación típicos es el uso de accionamiento electrostático para lograr la modulación dinámica del estado de polarización de las ondas electromagnéticas (Fig. 1d). La combinación de MEMS con hipersuperficies también puede lograr moduladores programables, que se espera que integren funciones complejas como la modulación dinámica del estado de polarización, el sesgo del frente de onda, la visualización holográfica, etc. en un solo dispositivo. Sin embargo, la confiabilidad es un problema que enfrentan las matrices de hipersuperficies MEMS, como la distribución de deformación irregular, los defectos y la falla de las vigas en voladizo para liberar.
Dispositivos de metamateriales de silicio.
Los principales materiales semiconductores utilizados en la banda de terahercios son el silicio y el arseniuro de galio, y la modulación dinámica se logra a través de dos modos: modulación totalmente óptica y accionamiento eléctrico. La modulación totalmente óptica suele ser el uso de pulsos láser para excitar los portadores transitorios del material semiconductor, la concentración de portadores del material cambia en la modulación de transmitancia/reflectancia de la onda de terahercios, a través de la combinación de super-superficies se puede lograr mediante la modulación de amplitud, la división de haces de polarización, el conmutador de ángulo de radiación y otras aplicaciones. La mayor ventaja es que se puede lograr una velocidad de modulación ultrarrápida y se puede lograr una modulación remota. La modulación impulsada eléctricamente cambia la concentración de portadores del material inyectando o agotando eléctricamente los portadores, lo que tiende a ser más atractivo desde el punto de vista de la utilidad e integración del dispositivo, pero la velocidad de modulación está limitada por el tiempo RC del circuito del controlador.
Fotónica topológica.
Las guías de onda de terahercios basadas en fotónica topológica tienen las ventajas de alta eficiencia de transmisión, buena estabilidad e insensibilidad a la deflexión de ángulos grandes, lo que ayudará al desarrollo de aplicaciones de comunicación de terahercios. La mayoría de las aplicaciones de fotónica topológica se basan en cristales fotónicos. En este artículo se describen brevemente los principios básicos de la fotónica topológica (Fig. 2a), varias clasificaciones de cristales fotónicos topológicos (Fig. 2b, cristales fotónicos topológicos con simetría de inversión de tiempo rota) y el cálculo de invariantes topológicos, haciendo hincapié en los cristales fotónicos equipados con simetría de inversión de tiempo del efecto Hall de espín cuántico (Fig. 2c) y el efecto Hall de valle cuántico (Fig. 2d). Finalmente, el artículo resume los informes actuales relacionados con las aplicaciones de comunicación de terahercios basadas en cristales fotónicos topológicos (Fig. 2e).
Los metamateriales activos para ondas de terahercios en el espacio libre implican métodos de accionamiento que incluyen eléctrico, óptico, térmico y fuerza, etc., que tienen sus propias ventajas y desventajas en las aplicaciones, por ejemplo, el método de accionamiento eléctrico típico tiene una buena integración, pero la velocidad de modulación a menudo está limitada por el tiempo RC; el tiempo de modulación del accionamiento óptico puede ser de hasta femtosegundos, y puede controlarse de forma remota, pero la integración es limitada y la frecuencia de modulación está limitada por la frecuencia de repetición del láser pulsado. Para aplicaciones de terahercios en chip, se espera que la combinación de fotónica topológica y modulación activa avance prácticamente el desarrollo de aplicaciones de comunicación de terahercios. También se espera que la utilización de cristales fotónicos topológicos de orden superior mejore aún más las interacciones luz-materia y proporcione soluciones para fuentes de radiación de terahercios de alta potencia.
