在第六代移動通信（6G）技術(shù)加速研發(fā)的進(jìn)程中，太赫茲波段（0.110THz）憑借其超大帶寬潛力，成為支撐超高速、大容量通信的核心技術(shù)方向。然而，太赫茲調(diào)制器長期面臨“性能與速率難以兼顧”的技術(shù)困境。近日，西安電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Photonics》期刊發(fā)表的成果，通過金屬摻雜VO?超表面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成功破解這一矛盾，為太赫茲通信的實(shí)用化推進(jìn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

    太赫茲調(diào)制的核心矛盾：性能與速率的固有沖突
    太赫茲波的獨(dú)特優(yōu)勢在于其遠(yuǎn)超5G系統(tǒng)的帶寬能力，理論上可實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)百GB的傳輸速率，是6G通信突破容量瓶頸的核心載體。而調(diào)制器作為太赫茲通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，需實(shí)現(xiàn)對太赫茲波幅度、頻率或相位的精準(zhǔn)調(diào)控，其性能直接決定通信系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。
    當(dāng)前，氧化釩（VO?）因可通過光或電激勵在絕緣態(tài)與金屬態(tài)間快速切換，成為太赫茲調(diào)制器的主流活性材料。但該材料存在固有矛盾：
    高調(diào)制性能（如深度調(diào)制、窄帶寬特性）要求VO?激發(fā)后具備高電導(dǎo)率（載流子密度高）；
    高調(diào)制速率（快速切換能力）則依賴低電導(dǎo)率（載流子恢復(fù)速度快）；
    更突出的問題是，實(shí)際制備的VO?薄膜難以達(dá)到理論高電導(dǎo)率（3×10?S/m），且高電導(dǎo)率會顯著降低材料響應(yīng)速度，進(jìn)一步加劇性能與速率的沖突。
    這種技術(shù)矛盾長期制約著太赫茲調(diào)制器的實(shí)用化進(jìn)程。

    金屬摻雜的等效增強(qiáng)機(jī)制：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)破解材料局限
    西安電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新突破在于，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面重構(gòu)VO?的導(dǎo)電特性，提出金屬摻雜活性材料開關(guān)概念。其核心原理是在VO?開關(guān)中嵌入金屬貼片，利用金屬的高導(dǎo)電性“短路”部分VO?電阻，通過面積比例調(diào)控實(shí)現(xiàn)等效電導(dǎo)率的放大。
    該機(jī)制的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

    其中，Sswitch為VO?開關(guān)總面積，SdopedMetal為金屬貼片面積。這一設(shè)計(jì)使得即便VO?實(shí)際電導(dǎo)率較低，通過優(yōu)化金屬貼片覆蓋比例，仍可等效獲得高電導(dǎo)率的性能效果。

    超表面的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了精密的工程思維：
    基底采用藍(lán)寶石（介電常數(shù)11.5），并覆蓋聚酰亞胺匹配層以抑制反射損耗；
    共振單元由切割線諧振器（CWR）與分裂環(huán)諧振器（SRR）構(gòu)成，通過電磁誘導(dǎo)透明（EIT）效應(yīng)形成精準(zhǔn)調(diào)制的物理基礎(chǔ)；
    獨(dú)立金屬網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)電控激勵，避免與共振單元產(chǎn)生耦合干擾，保障調(diào)控穩(wěn)定性。
    金屬貼片精準(zhǔn)覆蓋VO?中心區(qū)域，既借助金屬導(dǎo)電性提升等效性能，又保留邊緣VO?區(qū)域以確保光/電激勵有效性，實(shí)現(xiàn)了“低實(shí)際電導(dǎo)率”與“高等效性能”的協(xié)同。

    性能驗(yàn)證：低電導(dǎo)率條件下的突破性表現(xiàn)
    仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)展現(xiàn)出優(yōu)異的技術(shù)性能：當(dāng)VO?激發(fā)后電導(dǎo)率僅為3×10?S/m（約為理論值的1/10）時，其等效效果可達(dá)到6×10?S/m高電導(dǎo)率材料的水平，具體表現(xiàn)為：
    振幅調(diào)制方面，VO?未激發(fā)時，EIT窗口帶寬為0.058THz，品質(zhì)因數(shù)Q=2.37；激發(fā)后帶寬擴(kuò)展至0.112THz，調(diào)制深度高達(dá)91.6%；
    數(shù)字編碼能力上，通過調(diào)控VO?電導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn)2比特編碼（00/01/10/11），為太赫茲通信的信號傳輸提供了靈活的編碼方案；
    兼容性與可制造性方面，該超表面同時支持光控與電控模式，且對金屬VO?的對準(zhǔn)誤差具有強(qiáng)魯棒性，降低了制備工藝要求。

    從實(shí)驗(yàn)室到6G應(yīng)用：前景與挑戰(zhàn)
    此項(xiàng)研究不僅突破了太赫茲調(diào)制的技術(shù)瓶頸，更構(gòu)建了超表面設(shè)計(jì)的新范式，未來有望在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用落地：
    通信領(lǐng)域：支撐6G太赫茲基站實(shí)現(xiàn)超高速、大容量信息傳輸；
    成像與傳感領(lǐng)域：推動動態(tài)波束成形、可編程全息等技術(shù)向高精度方向發(fā)展；
    材料拓展領(lǐng)域：團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索鍺銻碲（GST）等其他活性材料的摻雜潛力，進(jìn)一步拓寬技術(shù)應(yīng)用邊界。

    值得注意的是，該技術(shù)的實(shí)用化仍需克服系列挑戰(zhàn)，如與現(xiàn)有太赫茲收發(fā)器芯片的集成適配、大規(guī)模制備成本的降低等。但可以預(yù)見，隨著“智能超表面”技術(shù)的持續(xù)成熟，這類納米級太赫茲調(diào)控器件有望逐步融入終端設(shè)備與通信基礎(chǔ)設(shè)施，推動6G通信從理論研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。