High-Speed Time-Space Modulation Technology of Terahertz Waves using Meta-Liquid Crystals

超液晶太赫兹波高速时空调制技术

基本信息

批准号：
22H01543
负责人：
佐々木友之
金额：
$ 11.48万
依托单位：
Nagaoka University of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01543/
关键词：
テラヘルツ波メタマテリアル液晶

项目摘要

本研究では、液晶を内包する電磁メタマテリアルであるメタ液晶を独自に構想し、具現化するとともに、それによりテラヘルツ（THz）波の高速変調技術を切り拓く。申請者は、THz帯における伝搬制御素子に対する需要の高まりから、液晶を用いた動的THz素子に関する研究を行ってきた。その過程で、金属からなる等方的メタマテリアル中で液晶を配向させることにより、液晶単体では得られない程度に大きな複屈折が発現することを見出した。こういったサブ波長構造に起因する特異な電磁特性と、液晶由来の多様な外場応答性から、メタ液晶は各種THz波応用の高度化と普及を実現に導く革新的材料であると確信している。本研究では、このことを実証すべく、THz波のイメージング応用を対象とし、メタ液晶によって、50 fps程度のフレームレートで動作する電圧駆動空間THz変調器を開発する。また、高速通信応用に特化した、数十Gbit/s級の光駆動高速THz変調システムの創製にも挑む。令和4年度は、当初の予定通り、メタ液晶の電磁物性を数値シミュレーションによって検討した。応用上重要な指標となる透過率と実効的なリタデーションが、メタ原子の寸法によってどのように変化するのかを系統的に計算し、メタ液晶がTHz帯における変調器用材料として有用であることを実証した。また、機械学習を用いたメタ液晶の構造探索についても検討を開始し、遺伝的アルゴリズムに基づくトポロジー最適化の手法が、メタ原子形状の設計に有益であることも実証した。

在这项研究中，我们将独特地构思并实现超液晶，即含有液晶的电磁超材料，从而开辟太赫兹（THz）波的高速调制技术。由于对太赫兹频段传播控制装置的需求不断增加，申请人一直在对使用液晶的动态太赫兹装置进行研究。在此过程中，他们发现，通过在金属制成的各向同性超材料中定向液晶，可以产生比单独使用液晶无法获得的双折射更大的双折射。我们相信，超液晶是一种创新材料，由于这些亚波长结构产生的独特电磁特性以及液晶产生的各种外部场响应，它将促进各种太赫兹波应用的进步和广泛使用。在本研究中，为了证明这一点，我们将开发一种电压驱动的空间太赫兹调制器，该调制器使用超液晶以约 50 fps 的帧速率运行，针对太赫兹波的成像应用。我们还将接受挑战，创建数十 Gbit/s 级的光驱动高速太赫兹调制系统，专门用于高速通信应用。 2020财年，按照原计划，我们通过数值模拟研究了超液晶的电磁特性。我们系统地计算了透射率和有效延迟（应用的重要指标）如何根据元原子的尺寸而变化，并证明元液晶可用作太赫兹波段的调制器材料。我们还开始研究利用机器学习寻找元液晶结构，并证明基于遗传算法的拓扑优化方法对于设计元原子形状非常有用。