Steering Flexural Waves by Amplitude-Shift Elastic Metasurfaces
作为具有亚波长结构的二维材料,弹性超表面显示出通过人工边界条件任意操纵弹性波的能力。然而,目前的超颖表面的应用前景可能会受到其相位调制边界的限制。在这里,我们提出了下一代的弹性超颖表面,另外将振幅偏移调制。通过对惠更斯-菲涅耳原理的修正,提出了超颖表面控制目标波场的一般理论。作为例子,两个幅移元表面的弯曲波在薄板上进行:一个是转换成高斯光束的柱面波通过精心制作的振幅和相移,另一个是聚焦入射的振幅调制。这些例子与理论计算、数值模拟和实验测试吻合得很好。这项工作可能是设计超颖表面的基础,可以完全控制导行弹性波,并可能扩展到更复杂的应用,如模拟信号处理和全息成像。
2020-09-01 physics.app-ph
Joint Detections of Frequency and Direction of Arrival in Wideband Based on Programmable Metasurface
我们提出了实现联合检测的频率和到达方向在宽带使用单个传感器的基础上的主动元表面与可编程的传输状态的通过和停止。通过将两个方向相反的PIN二极管集成到所提出的单层和半导体超原子中,利用场路联合仿真,在5.9 GHz到8.8 GHz的带宽内实现了通态和截止态之间相差10 dB的传输性能。因此,通过控制由可切换超原子组成的可编程超表面来生成随机接收图案。然后,分别利用改进的旋转不变技术估计信号参数算法(ESPRIT)和压缩感知方法检测出远场信源的频率和方向信息。制作了一个可编程超颖表面样品,并建立了相应的电压控制系统。为了全面验证所提出的方法的有效性,我们进行了三种实验,一个单一的源,不同频率的双源,双源具有相同的频率,分别。在所有情况下,在6.2 GHz至8.8 GHz的频带内的测量中,已经精确地检测到频率和方向的源信息。
2022-10-22 physics.app-ph
Intercell Wireless Communication in Software-defined Metasurfaces
可调超颖表面是超薄的人造电磁元件,提供工程和外部可调功能。可编程元表面,HyperSurFace,概念在于在元表面内集成控制器,这些控制器在本地交互并在全球通信以获得给定的电磁行为。在这里,我们解决了由可编程元表面所适应的两个功能引入的设计约束,即,期望的超表面操作和单元无线通信实现了这种可编程功能。满足这两套规格的设计过程进行了深入的讨论。提出了用于无线小区间通信的两种场景。第一个利用元表面层本身,而第二个采用元表面背板下的专用通信层。强调了复杂性和性能权衡。
2018-03-26 physics.app-ph
A 20-Gbps Beam-steered Infrared Wireless Link Enabled by a Passively Field-programmable Metasurface
光束转向是高能效和高速红外线通信的主要挑战之一。迄今为止,基于空间光调制器(SLM)或微电子机械系统(MEMS)反射镜的主动光束转向方案,以及基于衍射光栅的被动光束转向方案,已经被证明用于红外线通信。在这里,据我们所知,红外光束第一次在一侧被被动现场可编程元表面授权的35°转向。通过组合波长和偏振的集中控制,远程无源超表面可以在远程接入点中操纵红外光束。所提出的系统保持可扩展性以支持多个光束,灵活地操纵光束,高光学效率,远程侧上的简单且廉价的设备,以及集中控制(低维护成本),同时避免了诸如光栅损耗、小覆盖区域和庞大尺寸的缺点。基于所提出的波束控制技术,我们还展示了一个数据速率为20 Gbps的概念验证实验系统。
2020-06-23 physics.app-ph
Fully manipulate the power intensity pattern in a large space-time digital metasurface: from arbitrary multibeam generation to harmonic beam steering scheme
在空间编码超颖表面的范围之外,时空数字超颖表面可以大大扩展数字超颖材料的应用范围,其中在空间和频率域中同时操纵电磁波将是可行的。本文采用不等系数项的叠加运算、惠更斯原理和适当的时变偏置机制,给出了大型数字元曲面类散射波束绝对方向性的解析表达式。此外,在谐波波束控制方案中,通过应用几个合适的假设,我们推导出两个单独的表达式,用于计算精确的总辐射功率在谐波频率和总辐射功率位于端射方向的散射波束。尽管我们已经应用了简化的假设,但我们已经证明,所提供的公式仍然可以是用于开发具有预定功率强度图案的大型数字元表面的良好且快速的估计。讨论了量子化水平和元表面尺寸对功率操纵性能的影响以及谐波波束控制中最大扫描角的限制。几个示范性的例子,通过MATLAB软件进行了数值模拟和理论预测之间的良好协议已被观察到。通过考虑手稿中引入的限制,该方法可以仅通过采用纯相位元粒子作为物理编码元素来在任何期望的频率下实现。作者认为,所提出的直接方法为多目标雷达系统和太赫兹通信等各种应用提供了新的机会。
2020-07-28 physics.app-ph
Programmable anisotropic digital metasurface for independent manipulation of dual-polarized THz waves based on voltage-controlled phase transition of VO2 microwires
与由外部刺激控制的可调材料结合的可编程超颖表面可以在实时动态波操纵中提供前所未有的自由度。在各向同性可重构超表面的范围之外,仅支持对具有特定单偏振的激发的独特可调谐响应,在这里,首次报道了新一代超快可重新编程的多功能各向异性超表面,以使两个正交线性偏振THz波前激发能够独立地互换任务。通过精心设计的由两个垂直的VO2微丝组成的元粒子,其操作状态可以在两个独立的数字状态0和1之间任意动态地调节,以确保所提出的各向异性元器件的可重构性,对于双极化通道,仅通过两个独立的计算机编程的多通道DC网络改变偏置电压。利用这种超粒子设计,通过分别用不同的抛物线和螺旋-抛物线类编码序列编码超表面,令人满意地生成具有可互换OAM模式的单/多聚焦THz光束到预定焦斑和单/多聚焦涡旋光束。除了控制近场行为之外,所提出的各向异性超颖表面的多功能性和灵活性还可以提供一个鼓舞人心的平台来操纵每个期望的偏振通道中的远场散射图案。各向异性元器件在实现对不同偏振电磁波的通用可调谐控制方面带来了新的自由度,这将显著提高存储密度和数据容量,并且具有用于复杂波操纵(诸如超快THz通信和动态全息术)的潜力。
2020-01-21 physics.app-ph
Asynchronous Circuits as an Enabler of Scalable And Programmable Metasurfaces
超材料和超表面为操纵电磁波提供了可能性,这在过去似乎是不可能的。大多数超颖表面设计适用于特定的频率和入射角。一个长期寻求的目标是设计可编程超表面,以动态地操纵各种传入的EM频率和角度。为了做到这一点,在元表面下方需要一个大规模的网络芯片网格,除了适应电阻抗特性外,它们还相互通信,从而传递有关元原子设置的信息,以及转发可能的分布式测量。本文介绍了为什么异步混合信号ASIC有利于控制可扩展的,EM吸收,超表面。
2019-06-07 eess.SP physics.app-ph
Large-aperture computational single-sensor microwave imager using 1-bit programmable coding metasurface at single frequency
基于逆散射策略的微波成像在科学、工程和军事上具有重要的应用前景。在这里,我们提出了一个压缩感知(CS)启发的大孔径计算单传感器成像器使用1位可编程编码元表面有效的微波成像,这是编码孔径成像系统的一个实例。然而,与传统的编码孔径成像器不同,在传统的编码孔径成像器中,随机掩模上的元件以逐像素方式进行操作,所提出的方案中的可控元件以逐列方式进行编码。因此,这种单传感器成像器具有减少的数据采集时间,具有改进的可获得的时间和空间分辨率。此外,我们证明了所提出的计算单次拍摄成像器具有理论上的保证成功恢复稀疏或可压缩的对象从其减少的测量通过解决稀疏正则化凸优化问题,这是由传统的像素方式编码成像系统。数值模拟和实验结果表明,该成像器具有良好的成像性能。
2017-05-11 physics.app-ph
Metasurface for programmable quantum algorithms with quantum and classical light
本文提出并实验演示了一种可编程超表面,将Grover算法和量子傅里叶变换等多个量子算法编码到同一超透镜阵列上,通过空间光调制器选择性激发并结合单光子相机提取输出态信息,为量子计算与信息处理组件的小型化提供低成本方案。
2023-07-16 physics.app-ph physics.optics
An Optically-Programmable Absorbing Metasurface
提出了一种利用光学可编程电容作为调谐元件的可调谐超颖表面吸收体。调谐元件不采用传统的半导体技术来操作,而是通过改变其电介质聚分散红1丙烯酸酯(PDR 1A)的光学机械性质来进行调谐。该超颖表面工作在5.5 GHz的设计频率下,并实现了150 MHz的光调谐带宽(从5.50 GHz到5.65 GHz)。
2019-06-20 eess.SP physics.app-ph
Beam Steering by Two Vertically Faced Metasurfaces Using Polarization-Free Unit Cells with Three Operating Modes
本文设计了一种具有吸收、反射和1比特相移三种模式的无极化单元,构建双垂直相对超表面,实现非平面场景下的波束控制。
2024-05-05 physics.app-ph
Full-Duplex Nonreciprocal-Beam-Steering Metasurfaces Comprising Time-Modulated Twin Meta-Atoms
我们提出了一个全双工非互易光束转向透射相位梯度超颖表面的概念,理论模型和实验实现。这种超表面是利用耦合时间调制孪生超原子中频率-相变的独特性质来实现的。超表面可以被放置在源天线的顶部上以变换源天线的辐射图案,并且针对发射和接收状态引入不同的辐射图案。与最近提出的时间调制应用相反,这里入射波和发射波共享相同的频率。超表面被赋予方向性的、多样的和非对称的发射和接收辐射波束,以及可调谐的波束形状。此外,可以通过简单地改变调制相位来操纵这些波束。所提出的耦合元原子固有地抑制不期望的时间谐波,导致高转换效率,这对于诸如点对点全双工通信的实际应用是至关重要的。
2019-11-11 physics.app-ph physics.optics
Electrically switchable metasurface for beam steering using PEDOT
可切换和主动超表面允许实现光束转向、可变焦超透镜或动态全息。为了实现这一目标,必须将高性能超颖表面与具有高折射率对比度和高切换速度的可切换材料相结合。在这项工作中,我们提出了一个电化学可切换的超颖表面的光束转向,我们使用的导电聚合物聚(3,4-乙烯-二氧噻吩)(PEDOT)作为活性材料。我们展示了角度高达10°的光束衍射,以及采用外部施加的-1 V和+0.5 V之间的循环电压的衍射光束和初级光束的强度变化。通过这种独特的组合,我们实现了1 Hz范围内的开关速度,同时可以扩展到数十Hz区域的典型显示频率。我们的研究结果对未来电子开关和显示纳米技术的设计和制造有直接的影响,例如动态全息图。
2021-03-03 physics.app-ph physics.optics
Universal programmable on-chip metasurface building blocks for arbitrary high-order mode manipulation
片上模分复用(MDM)技术是一种很有前途的技术,可以进一步提高多模式信道数据通信的链路容量和带宽。模式转换器和模式交换器都是灵活模式操作不可缺少的基本部件。虽然之前已经开发了几种配置,但以通用的方式有效地操纵任意高阶模式以降低研发和原型制作成本仍然非常具有挑战性。在这里,我们开始一个突破,一个简单而通用的通用模式运营商构建块的概念,利用元表面结构。可编程任意高阶模算子可以同时实现模式转换和交换,具有竞争力和统一的性能,高稳定性和紧凑的尺寸,为片上多模光互连提供了典型的阶跃变化。
2020-07-15 physics.app-ph physics.optics
Experiment-based deep learning approach for power allocation with a programmable metasurface
针对仿真数据训练的DNN在实际复杂场景中性能不佳的问题,提出基于实验数据的深度学习方法,利用可编程超表面收集数据训练DNN,实现复杂环境下的功率分配并具备快速重训练适应能力。
2023-07-26 eess.SP physics.app-ph
Digital Metasurface Based on Graphene: An Application to Beam Steering in Terahertz Plasmonic Antennas
超材料的二维对应物--超表面,由于其对电磁波的强大操控能力而引起了人们的极大关注。最近出现了各种各样的元表面,不仅展示了无数的功能,而且还展示了可重构的响应。此外,数字或编码元表面通过将设备描述为离散构建块状态的矩阵而彻底改变了该领域,从而与信息理论形成了清晰的平行关系,并开辟了对高级元表面进行建模、组合和(重新)编程的新方法。本文加入了可重构和数字的方法,并提出了一种超表面,利用石墨烯的可调谐性,在太赫兹频率进行光束转向。一个全面的设计方法,包括技术,单元设计,数字超材料合成,和可编程性方面。通过沿着超颖表面平面设置和动态调整相位梯度,所得到的设备实现了在所有实际方向上的波束转向。所提出的设计进行了研究,通过分析模型和数值验证,显示波束宽度和转向误差远低于10度和5%,在大多数情况下。最后,设计准则提取通过涉及元表面的大小和数量的单元格状态的可扩展性分析。
2020-12-20 cs.ET physics.app-ph physics.optics
Tunable metasurface inverse design for 80% switching efficiencies and 144$^\circ$ angular steering
可调超颖表面已经证明了在包括传感、测距和成像在内的应用中显著增强功能的潜力。液晶(LC)具有快速的开关速度、低成本和成熟的技术发展,为电可调谐性提供了多功能平台。然而,迄今为止,电可调超颖表面通常使用物理直觉设计在单个操作状态下,而不控制交替状态,从而导致有限的切换效率($<30\%$)和小角度转向($<$ 25 $^\circ$)。在这里,我们使用大规模的计算“逆向设计”,发现高性能的设计,通过伴随的局部优化设计迭代在一个全球优化搜索。我们研究和解释这些设备的物理,这在很大程度上依赖于复杂的谐振器设计,以充分利用开关液晶电压引起的非常小的介电常数变化。最佳器件显示出范围从12 $^\circ$到144 $^\circ$的可调转向角和高于80%的开关效率,与当前技术水平相比,表现出6倍的角度改进和6倍的效率改进。
2019-10-07 physics.app-ph physics.optics
Multi-Functional Metasurfaces with M-Type Ferrites: Shaping the Future of mmWave Absorption and Beam Steering
本文综述了集成M型ferrite的多功能metasurfaces在毫米波吸收与波束控制中的应用,通过铁磁共振与表面波捕获机制解决传统超表面无法兼顾宽带吸收与波束成形的难题,并展望了其在beyond-5G及NTN架构中的未来应用。
2025-06-29 physics.app-ph
Quadratic-Gradient Metasurface-Dome for Wide-Angle Beam Steering Phased Array with Reduced Gain-Loss at Broadside
针对相控阵超表面罩侧射增益降低和实现复杂的问题,提出通过离散化相位分布并考虑不同入射角设计级联超表面罩,以降低插入损耗并提升转向能力。
2022-12-20 physics.app-ph
Loss-Optimized Reconfigurable Nonlocal Metasurface-aided Cavity Antenna
School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University(弘益大学电子电气工程学院)
本文提出一种基于非本地超表面的可重构腔体天线,通过优化损耗实现宽角度动态波束控制。
2026-03-09 physics.app-ph
Physics-informed Inverse Design of Multi-bit Programmable Metasurfaces
本研究提出物理信息逆向设计方法,集成修正耦合模理论与残差神经网络,实现多位可编程超表面,实现高达300°相位调谐和68°波束偏转,为太赫兹通信与成像提供新途径。
2024-05-27 physics.app-ph physics.optics
Graphene Reflectarray Metasurface for Terahertz Beam Steering and Phase Modulation
我们报道了一种太赫兹反射阵列超颖表面,它使用石墨烯作为有源元件,以实现光束转向,整形和宽带相位调制。这是基于电压控制的可重构相位全息图的创建,其可以向入射光束赋予不同的反射角度和相位,从而取代用于太赫兹成像的笨重且易碎的旋转镜。这也可以在电磁波谱的其他领域找到应用,为多功能光学设备铺平道路,包括光雷达,自适应光学,电光光调制器和屏幕。
2018-06-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Electro-Optically Tunable Universal Metasurfaces
几十年来,在纳米尺度上塑造光的流动一直是纳米光子学的一个巨大挑战。现在广泛认识到,超颖表面代表了能够通过适当配置亚波长天线元件来全面控制光的波前的芯片级纳米光子阵列技术。在这里,我们展示了一个通用的可重构元表面,即,理论上能够使用没有移动部件的紧凑、重量轻、电子控制的阵列在电信波长范围内提供不同的光学功能。通过电光控制的散射光的相位从相同的个人元表面元件,我们展示了一个单一的原型通用可编程元表面,能够使用一个单一的设备的动态光束转向和可重构的光聚焦。因此,具有可调谐光学天线阵列的可重构通用超颖表面可以通过散射光相位、振幅和偏振的可编程阵列级控制来执行任意光学功能,类似于电子学中的动态和可编程存储器。
2019-10-04 physics.app-ph physics.optics
Multifunctional Metasurface: Simultaneous Beam Steering, Polarization Conversion and Phase Offset
提出基于变容二极管的可重构多功能超表面,通过调控正交分量反射相位,在单一原型上同时实现波束偏转、极化转换与相位偏移。
2023-07-27 physics.app-ph physics.optics
Electrically driven reprogrammable vanadium dioxide metasurface using binary control for broadband beam-steering
共振光学相控阵是一种很有前途的方式,以达到完全可重构的超表面在光学和近红外制度,低能耗,低足迹和高可靠性。连续可调谐谐振结构具有固有的缺点,例如低相位范围、幅度-相位相关性或极端灵敏度,这使得在单个元件水平上的精确控制非常具有挑战性。为了绕过这些问题,我们使用1位(二进制)控制波束转向的创新纳米谐振器天线,并探讨这种相控阵列的理论能力。提出了一种基于二氧化钒夹在金属-绝缘体-金属结构中的热现实结构,并使用逆向设计进行了优化,以提高其在1550 nm处的性能。利用二元控制成功地实现了90°范围内的连续波束转向,与基于相控阵理论第一原理描述的预测非常一致。此外,实现了从1500 nm到1700 nm的宽带响应。还证明了设计制造缺陷的鲁棒性。这种简化的方法可以被实现以基于用于各种功能的其他材料或相移机制来优化可调谐纳米光子相控阵超颖表面。
2022-06-13 physics.app-ph physics.optics
Programmable Nonreciprocal Metaprism
光学棱镜由玻璃制成,通过将入射的白光分解成其组成颜色并将其反射到不同的方向,将时间频率映射到空间频率。传统的棱镜具有体积大、笨重的结构,其材料参数由洛伦兹互易定理决定。考虑到棱镜在波工程中的各种应用以及它们在不可见光谱和天线应用中的日益增长的应用,需要能够以可重新配置的方式提供具有非互易/互易响应的棱镜功能的紧凑装置。在这里,我们提出了一个基于非互易超表面的棱镜阵列的相位和振幅梯度频率依赖的空间变化的辐射超细胞。在传统的光学棱镜、非互易器件和超材料中,空间分解和非互易函数是固定的,不可编辑的。在这里,我们提出了一个可编程的元表面集成放大器,实现可控的非互易空间分解,其中每个频率分量的入射多色波可以在一个任意的和可编程的角度下传输所需的传输增益。这种多色超表面棱镜由频率相关的空间变化的基于晶体管的移相器和放大器构成,用于波分量的空间分解。有趣的功能包括三维棱镜功能与可编程的折射角,功率放大,方向和不同的辐射光束。此外,超表面棱镜可以通过现场可编程门阵列(FPGA)进行数字控制,使超表面成为雷达、全息应用和无线电信系统的合适解决方案。
2021-03-03 physics.app-ph physics.ins-det
Electrically Programmable Pixelated Graphene-Integrated Plasmonic Metasurfaces for Coherent Mid-Infrared Emission
本文提出集成 Gr-FET 的电可编程等离子体超表面,通过协同空间温度与发射率调制实现像素化、宽波段、多偏振的相干中红外发射。
2024-05-06 physics.app-ph physics.optics
Non-Local Metasurface-aided Leaky-Wave Antennas
School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University(弘益大学电子电气工程学院)
本文提出非局部元表面辅助的泄漏波天线,通过优化电抗设计实现宽角波束稳定转向,实验显示在2.0-2.7 THz波段内波束扫描范围达近50度。
2026-01-28 physics.app-ph
How Do Space-Time Digital Metasurfaces Serve to Perform Analog Signal Processing?
在寻求实现模拟信号处理,使用亚波长元表面,在本文中,我们展示了第一个实验演示的可编程时间调制元表面处理器的基础上的空间傅立叶变换的关键属性。利用空时编码策略使得不仅能够在中心频率和谐波频率处对贡献反射数字元原子的幅度而且还能够对相位轮廓进行本地、独立和实时的工程化。几个说明性的例子表明,所提出的多功能微积分元表面是能够实现一大类有用的数学运算,包括第一和第二阶空间微分,第一阶空间积分,积分微分方程求解伴随着频率转换。与最近的建议,所设计的时间调制信号处理器有效地工作在输入信号包含宽的空间频率带宽与可接受的增益水平。还报告了原理验证模拟以及边缘检测等图像处理功能的成功实现。这种基于时变波的计算系统可以为可编程元表面的未来发展设定方向,在超快方程求解,实时和连续信号处理以及成像方面具有非常有前途的应用。
2020-02-18 physics.app-ph
Controlling spectral energies of all harmonics in programmable way using time-domain digital coding metasurface
现代无线通信是最重要的信息技术之一,但其系统架构多年来一直没有改变。在这里,我们提出了一个更简单的架构,无线通信系统的基础上元表面。我们首先提出了一个时域数字编码元表面,以达到一个简单而有效的方法来操纵谐波的频谱分布。在相位对表面反射率的动态调制下,由于由“0”和“1”序列编码的数字信号引入的时间梯度,我们可以以可编程的方式实现对不同谐波的精确控制,以达到许多不寻常的功能,如频率掩蔽和速度错觉。提出了一个理论模型并进行了实验验证,揭示了该非线性过程。基于时域数字编码元表面,提出并实现了一种新的基于二进制频移键控(BFSK)帧的无线通信系统,该系统比传统的BFSK具有更简单的结构,同时具有更好的实时性。所提出的工作,从新概念到新系统,将在现代信息技术中找到重要的应用。
2018-06-12 cs.IT math.IT physics.app-ph
Experimentally realized physical-model-based wave control in metasurface-programmable complex media
本研究提出一种基于物理原理的紧凑模型,通过极小规模随机配置校准精确预测复杂散射环境中无线信道对可编程超表面的依赖,在精度和参数量上显著优于深度学习基准,并展现出无需相位数据即可实现相干波控及恢复未知散射系数的强大泛化能力。
2023-07-17 eess.SP physics.app-ph physics.optics
Optical phased arrays for LIDAR: beam steering via tunable plasmonic metasurfaces
控制由元件发射的光的相位和振幅(即,像素)对于实现用于LIDAR应用的动态光束转向是至关重要的。在本文中,我们提出了一种由薄氧化物层覆盖的金属纳米天线和导电氧化物组成的等离子体像素,例如,ITO,用于反射阵列超颖表面。通过考虑通过金属连接器的纳米天线的电压偏置,并利用在积累和耗尽区的金属氧化物半导体电容器中的载流子折射效应,我们的模拟预测在$>330^{\circ}$范围内的反射系数相位的控制具有几乎恒定的幅度。我们讨论了光学响应的物理机制,连接器的效果,并提出了策略,以最大限度地提高反射系数的大小,并实现双波段操作。通过3D-FDTD模拟证明了我们的等离子体像素设计在LIDAR中用于光束转向的适用性。
2019-12-04 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Programmable Electromagnetic Space via Metasurface Clusters
Anhui Agricultural University(安徽农业大学);Air Force Engineering University(空军工程大学);Beihang University(北京航空航天大学);Zhejiang University(浙江大学)
本文提出通过超材料簇的协作实现电磁空间的确定性编程,利用虚拟节点网络映射体积场干涉景观,实现空间散射的精确合成。
2026-03-23 physics.app-ph physics.optics
Agile Free-Form Signal Filtering with a Chaotic-Cavity-Backed Non-Local Programmable Metasurface
该研究提出以准二维混沌腔支撑可编程金属超表面,利用非局域模式重叠与纯优化设计实现7.5–13.5 GHz低损耗、高线性、可重构滤波和信号路由。
2024-07-06 physics.app-ph physics.optics
Field-Programmable Mobile Magneto-Photonic Metaparticles for Active Light Manipulation and Steering
Department of Mechanical Engineering, University of Minnesota(明尼苏达大学机械工程系)
本文提出一种可编程移动磁光元粒子,用于在复杂介质中主动操控和定向光束,结合磁性驱动与光子超表面技术,实现高效、偏振无关的光束控制。
2026-02-27 physics.app-ph physics.optics
Programmable metasurfaces for future photonic artificial intelligence
Colorado School of Mines(科罗拉多矿业学院);Université Côte d’Azur(蔚蓝海岸大学);LAAS, Université de Toulouse(图卢兹大学LAAS实验室);Université de Rennes(雷恩大学);Department of Physics, Colorado School of Mines(科罗拉多矿业学院物理系);Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University(波士顿大学电气与计算机工程系)
本文探讨现场可编程超表面如何凭借可编程性、电子共集成、三维堆叠与规模化制造,提升光子神经网络的可扩展性,从而支撑下一代光子AI加速器。
2025-05-16 cs.AI physics.app-ph physics.optics
Metasurface-Programmable Wireless Network-on-Chip
我们介绍智能无线电环境的概念,目前正在为元表面可编程米级环境中的无线通信进行深入研究(例如,室内),芯片规模。无线片上网络(WNoC)是用于改善片上核间通信的候选技术,但是当前的提议受到困境的困扰:接收到的信号是弱的,或者它是显著地回响的,使得开关键控调制速度必须被节流。在这里,我们克服了这个棘手的问题,赋予无线芯片上的环境与原位可编程性,使我们能够塑造的信道脉冲响应(CIR),从而,我们可以施加一个脉冲状的CIR形状,尽管强大的多径传播,而不需要降低接收信号强度。首先,我们设计和表征一个可编程的元表面适合于集成在片上环境(“片上可重构智能表面”)。其次,我们优化其配置,以均衡选定的无线片上信道“在空中”。第三,通过进行严格的通信分析,我们证明了显着更高的调制速度与成形CIR的可行性。我们的研究结果引入了一个可编程的范例,以提高其竞争力的互补片上互连解决方案的WNoCs。
2022-03-13 cs.IT cs.NI eess.SP
Programmable Phase-change Metasurfaces on Waveguides for Multimode Photonic Convolutional Neural Network
神经形态光子学最近已经成为一种有前途的硬件加速器,与数字电子相比,具有显着的潜在速度和能量优势,用于机器学习算法,如各种类型的神经网络。集成光子网络在执行矩阵向量乘法(MVM)的模拟计算方面特别强大,因为它们为数据传输提供了无与伦比的速度和带宽密度。在集成光子器件中使用非易失性相变材料能够为片上光学计算提供不可或缺的编程和内存计算能力。在这里,我们展示了一个多模光子计算的核心组成的一个阵列的可编程模式转换器的基础上的元表面的相变材料。可编程转换器利用相变材料Ge-Sb-Te在相变过程中的折射率变化来控制波导空间模式,模式对比度高达64级。该对比度用于表示矩阵元素,具有6位分辨率以及正值和负值,以在神经网络算法中执行MVM计算。我们展示了一个光学卷积神经网络,它可以高精度地执行图像处理和分类任务。具有较宽的工作带宽和紧凑的器件尺寸,所展示的多模光子核心是非常有前途的大规模光子处理器的高吞吐量的光神经网络。
2020-07-21 physics.app-ph physics.optics
Electrostatic Steering of Thermal Emission with Active Metasurface Control of Delocalized Modes
本文提出并实验验证了一种石墨烯集成超表面结构,通过静电调控F-P腔去局域模式的相位,实现热发射方向连续转向,峰值发射率保持0.9以上。
2024-04-22 physics.app-ph physics.optics
Prototype-Aware Fundamental Electromagnetic Limits on Wavefront Synthesis with Programmable Metasurfaces
Aalto University(阿尔托大学);Univ Rennes, CNRS, IETR - UMR 6164(雷恩大学,法国国家科学研究中心,IETR - UMR 6164)
本文结合多端口网络理论与实验参数,推导了可编程超表面在波前合成中的原型感知电磁极限,包括保真度、模式强度及帕累托边界,并通过实验验证了界限的紧致性。
2026-06-16 eess.SP physics.app-ph
Möbius Reparametrization of Multiport-Network Models of PIN-Diode-Programmable Metasurfaces for Accurate Low-Order Neumann Approximations
Univ Rennes, CNRS, IETR - UMR 6164(雷恩大学,法国国家科学研究中心,信息与电子工程研究所)
本文提出一种仅依赖负载状态的闭式 Möbius 重参数化方法,用于提升多端口网络模型可编程超表面的低阶 Neumann 近似精度,在保持高精度的同时显著降低计算成本与内存占用。
2026-09-30 eess.SP physics.app-ph
Monolithic Elastic Metasurface Design for Advanced Wave Manipulation via a Direct Wave-Shaping Topology Optimization Approach
本文提出直接波形拓扑优化方法,设计高性能单体弹性超材料,实现高效率波转换、大角度波束控制及高数值孔径金属透镜,显著提升波操控性能。
2025-12-12 physics.app-ph
Over-the-Air Emulation of Electronically Adjustable Rician MIMO Channels in a Programmable-Metasurface-Stirred Reverberation Chamber
本文研究可编程超表面搅拌混响室中模拟可调Rician MIMO信道的可行性,通过随机扫描超原子实现目标K因子,发现可达到K因子的上下界,并用实验、PhysFad仿真和理论分析验证了其适用范围。
2023-11-30 eess.SP physics.app-ph
Electrically driven programmable phase-change meta-switch reaching 80% efficiency
尽管最近在有源超光学方面取得了进展,但结合高速可重构解决方案的宽动态范围仍然是难以捉摸的。相变材料(PCM)由于具有大的折射率对比度和快速而稳定的相变性质,为超颖表面光学元件提供了引人注目的平台。在这里,我们通过利用相变硫属合金Ge $_{2}$ Sb $_{2}$ Te $_{5}$(GST)的独特性质,实验证明了原位电驱动可重编程超颖表面,以实现在近红外光谱范围内的快速,非易失性,可逆,多级和显著的光学调制。通过多物理场分析共同优化,我们集成了一个有效的异质结构电阻微加热器,间接加热和转换的嵌入式GST膜,即使在几个可逆的相变后,不影响超颖表面的光学性能。提出了一种混合等离子体-PCM元开关,其具有超过11倍的反射率的记录电调制(绝对反射率对比度达到80%),超过250 nm的前所未有的准连续光谱调谐,以及可以潜在地达到几kHz的开关速度。我们的工作是一个重要的一步,完全可集成的动态元表面的发展和波束成形应用的潜力。
2021-04-26 physics.app-ph physics.optics
Perfect Absorption in a Metasurface-Programmable Complex Scattering Enclosure
在复杂的散射外壳中实现完美吸收(PA)的非常特殊的条件,有望在安全通信、精密传感、无线电力传输、模拟信号处理和随机激光发射中实现大量应用。因此,许多最近的研究工作致力于提出波前整形协议,以实现在复杂散射环境中的相干PA。在这里,而不是塑造的冲击波阵面和调整系统的衰减,我们提出了概念上不同的路线,单独调整复杂的散射环境的随机性,以实现PA。我们提供了一个实验验证的概念,在微波域中,我们调整的随机性的三维混沌腔与可编程元表面。我们系统地研究了PA条件的可扩展性和极端敏感性。我们的技术可以在一个小的频带内,这使我们能够提出和实验证明一个具体的实际应用:接收器供电的安全无线通信在一个复杂的散射外壳在一百多个不同的频率PA条件。我们对PA的全新视角适用于所有类型的波现象,我们的研究结果预示了这种新型工具在传感,通信和能量传输中用于微小波控制的巨大潜力。
2020-06-11 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Dynamic wavefront transformer based on a two-degree-of-freedom control system for 6-kHz mechanically actuated beam steering
基于入射波前的动态重构,可以实现大量的可调谐光学元件,如光束控制和可调谐透镜。然而,当前波前重构技术的主导范例依赖于具有比输出波前大得多的自由度的复杂控制系统,例如基于空间光调制器或相控阵天线的波束转向。在这里,我们提出了一个新的范例,任意输出波前使用控制系统具有相同的自由度的动态重构。作为一个例子,波前Transformer被证明使用面内两自由度(2DOF)的机械致动系统的超表面偶半全向波束转向,其测量6 kHz的调制速度和“± 65.6度”的视场。该范例可以应用于超颖表面Transformers,以用于具有用于大量应用的任何控制系统的动态波前重新配置,例如可调透镜、光束转向和动态光束轮廓仪,仅举几例。
2022-01-26 physics.app-ph physics.optics
Intelligent Metasurfaces with Continuously Tunable Local Surface Impedance for Multiple Reconfigurable Functions
如果电磁超颖表面能够执行多个可调功能,则它们可以被表征为智能的,其中期望的响应由计算机控制,影响每个超颖表面内含物的个体电磁特性。在本文中,我们提出了一个智能元表面的微波频率范围内的反射模式操作的例子。数值计算表明,在不改变超颖表面主体的情况下,我们可以实现可调谐的完美吸收和可调谐的反常反射。可调谐特性可以使用混合信号集成电路(IC)来实现,其可以独立地改变电阻和电抗,从而对复表面阻抗提供完全的局部控制。通过在薄的接地衬底上连接两个金属贴片来将IC嵌入单元格中,并且智能元表面的反射特性可以容易地由计算机控制。我们的智能超颖表面可以对未来的时空调制超颖表面和众多应用产生重大影响,例如光束转向,能量收集和通信。
2019-04-10 physics.app-ph
A 28-GHz Varactor-Based RIS With Continuous Phase Control: From Unit-Cell Modeling to Programmable Wavefront Control and Synthesis
RWTH Aachen University(亚琛工业大学);Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques (FHR)(弗劳恩霍夫高频物理与雷达技术研究所)
该研究开发了一款28 GHz变容二极管RIS平台,建立了器件到系统的验证框架,实现±45°内精确波束转向,还支持多波束合成,为毫米波RIS研发提供了严谨基础。
2026-08-10 physics.app-ph
Fixed-Frequency Reconfigurable Leaky-Wave Antennas with Simplified Biasing
本文提出一种采用简化偏置方案的可重构漏波导天线,通过将可调超表面仅用作波导壁控制导模,结合无源超表面实现固定频率下的动态波束控制,显著简化了偏置过程,并通过全波仿真验证了其有效性。
2025-01-28 physics.app-ph physics.optics
Programmable Motion of Optically Gated Electrically Powered Engineered Microswimmer Robots
本文提出一种由电驱动、光控转向的新型微型游泳机器人,通过分离推进与转向机制,在均匀光照下实现了轨迹的动态可编程控制。
2024-09-21 cond-mat.soft physics.app-ph
Design of reconfigurable Huygens metasurfaces based on Drude-like scatterers operating in the epsilon-negative regime
本研究提出基于负介电常数区类Drude散射体的可重构惠更斯超表面设计,通过电偶极与四极共激满足广义Kerker条件实现全透射,为波束转向器件的可重构集成提供新途径。
2024-03-22 physics.app-ph physics.optics
Advancing Wavefront Shaping with Resonant Nonlocal Metasurfaces: Beyond the Limitations of Lookup Tables
针对传统查找表方法设计非局域共振超构表面性能不佳的问题,本研究采用统计学习优化技术结合近场耦合效应,在透射光束偏转、EDOF超构透镜及反射式超构光栅上均实现了性能大幅提升。
2023-10-03 physics.app-ph physics.optics
Nonreciprocal Pancharatnam-Berry Metasurface for Unidirectional Wavefront Manipulation
提出利用 YIG 磁光效应与 PB 几何相位协同的亚波长非互易超表面,实现圆偏振光高隔离及单向光束偏转与聚焦。
2024-03-03 physics.app-ph physics.optics
Equivalent Circuit Modeling and Design of a Reconfigurable Loaded Dogbone Metasurface Element
针对有源超表面计算电磁仿真复杂度高的问题,提出狗骨头单元的等效电路模型,仅需三次全波仿真即可确定,能快速计算不同电路下的超表面特性,经变容二极管可调超表面实验验证模型与测量结果高度一致。
2024-12-09 physics.app-ph