像素化金属贴片的可重构电磁表面的制作方法【专利摘要】一种可重构电磁片，包括具有多个激光器的激光器层和具有多个金属贴片和多个开关的像素化表面，其中所述多个开关的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中，其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器，其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料。【专利说明】像素化金属贴片的可重构电磁表面[0001]相关申请的交叉引用[0002]本申请与2013年I月9日提交的申请序列号为13/737,441的美国专利申请相关，并与2014年2月14日提交的申请序列号为61/940，070的美国临时专利申请相关并要求其优先权，上述两申请均全文并入在此作为参考。本申请要求2015年2月9日提交的申请序列号为14/617,361(L&P629214)的美国专利申请的优先权，该申请整体内容通过援弓I并入在此。[0003]关于美国联邦资助的声明[0004]本发明是在DARPA发布的美国政府合同HR0011-14-0059商用阵列时间表(ACT)下做出的。美国政府拥有本发明的相关权利。
技术领域：
[0005]本发明涉及可重构(reconfigurable)电磁(EM)孔径，具体而言，本发明涉及像素化(pixelated)可重构天线。【
背景技术：
】[0006]当需要多种RF功能并且在其上安装电磁结构的位置具有空间或重量限制的情况下，通常希望电磁(EM)表面的可重构性。在需要新RF应用而不得不更换RF孔径时，EM表面的可重构性还能够节省装配时间和材料成本。[0007]J.D.WolfmN.P.Lower^L.MPaulsen、J.P.Doene和J.B.West在2011年6月21日授权的美国专利7，965，249“Reconfigurablerad1frequency(RF)surfacewithopticalbiasforRFantennaandRFcircuitapplicat1ns”中描述了一种具有对形成像素化表面的小金属贴片(metallicpatches)之间的光导开关进行光学驱动(opticalactuat1n)的可重构天线。发光二极管(LED)用于驱动光导开关，其缺点是需要恒定功率输入来驱动LED以保持开关闭合。在大EM结构中将需要较高功率。在说明书中没有对于当重构天线时对RF馈电的影响有任何技术启示。[0008]L.Zhouyuan、D.Rodrigo、L.Jofre和B.A.Cetiner在2013年4月的“IEEETrans.AntennaPropagat1n，，Vol.6、N0.4、pp.l947_1955的论文“Anewclassofantennaarraywithareconfigurableelementfactor”中描述了一种可重构元件，其采用小金属贴片的寄生像素(parasiticpixel)阵列，利用开关可以重构所述金属贴片以提供波束转向或极化转换。非可重构贴片天线用作所述寄生像素的驱动器，这将带宽限于贴片尺寸。[0009]E.K.Walton和B.G.Montgomery在2009年7月14日授权的美国专利7，561，109“Reconfigurableantennausingaddressablepixelpistons，，、E.Rodrigo和L.Jofre在2012年5月的“IEEETrans.AntennaPropagat1n”Vol.60、N0.5、pp.2219-2225的论文“Frequencyandradiat1npatternreconfigurabilityofamult1-sizepixelantenna”、A.G.Besoli和F.DeFlaviis在2011年12月的“IEEETrans.AntennaPropagat1n”Vol.59、Νο.12的论文“Amultifunct1nreconfigurablepixeledantennausingMEMSTechnologyonprintedcircuitboard”中描述了用于可重构天线的像素化结构的另外的示例。但是，上述参考文献都利用机械或电子开关，其需要复杂和RF退化直流(DC)偏置网络。[0010]存在对于改进的可重构电磁表面的需求。本公开的实施方式能够回应上述及其他需求。【
发明内容】[0011]在此公开的第一实施方式中，提供一种可重构电磁片(electro-magnetictile)，其包括激光器层和像素化表面，激光器层包括多个激光器，而像素化表面包括多个金属贴片和多个开关，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中，其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器，其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料，其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态，并且其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。[0012]在此公开的另一实施方式中，一种提供可重构电磁片的方法，包括提供包括多个激光器的激光器层，和提供包括多个金属贴片和多个开关的像素化表面，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中，其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器，其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料，其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态，并且其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。[0013]通过说明书及附图的详细说明，本发明的上述及其他特征和优点将更加清楚。在附图和说明书中，附图标记用来表示各个特征，全文中相同的附图标记表示相同的特征。【附图说明】[0014]图1A示出根据本公开的可重构电磁像素化表面片，而图1B示出根据本公开的金属贴片之间的开关的细节；[0015]图2示出根据本公开的可重构片的表面上的八边形像素阵列；[0016]图3示出根据本公开的用于正方形贴片天线的谐振长度尺寸中像素大致数量的曲线；[0017]图4A、图4B和图4C示出根据本公开的在频率从fi增加至f2和从f2增加至f3时如何重构像素化片以容纳贴片元件；[0018]图5A示出根据本公开的进入天线的反射系数用于模拟配置为贴片天线的像素化片并随后尺寸上重构为以8.38、9.2和10.1GHz为中心的三个不同的工作频率，而图5B示出根据本公开的对应的天线方向图；[0019]图6A示出根据本公开的高达12GHz的GeTe开关的测量无线电频率(RF)损耗，图6B示出根据本公开的连接4个像素的4个开关，图6C示出根据本公开的就0.5Ω的Rcir^PlO4的Roff/R。#的不同Cciff而言模拟的单刀四掷(SP4T)RF开关，而图6D示出根据本公开的具有并联PCM阻抗和Cciff的GeTeRF开关的简化等效电路模型；[0020]图7A、图7B、图7C和图7D将利用DC偏压线驱动开关的RF性能与根据本公开的利用光学驱动开关的RF性能的对比；[0021]图8A示出多模垂直腔面发射激光器(VSCEL)阵列布图，图SB示出根据现有技术的输出光功率和功率转换效率；[0022]图9示出根据本公开可以用于驱动围绕四个像素的PCM开关的VCSEL阵列布局的图的俯视图；[0023]图10示出根据现有技术的GeTePCM材料的吸收频谱，其中示出在950至980nm波长处的300至500nm的吸收深度；[0024]图11示出根据本公开的用于1250VCSEL的控制和驱动器网络的示例；以及[0025]图12示出根据本公开的图11的控制/驱动器网络用于16个可重构片的扩展示例。【具体实施方式】[0026]在下面的描述中，各种具体细节被陈述以清楚地描述这里公开的各种【具体实施方式】。但是本领域普通技术人员将理解，所要求保护的本公开还可以在没有这些具体细节的情况下来实施。在其他的示例中，公知的特征并未被描述以避免混淆本公开。[0027]本说明书描述了电磁(EM)片(tile)lO，如图1A所示，其顶面包括金属贴片(patch)32的二维周期阵列，金属贴片32由小间隙分开，使得周期远小于任何感兴趣的频率处的波长。在金属贴片32之间的每个间隙内是开关34，其在激活时将跨设在所述间隙的两个金属贴片32电连接。通过金属贴片之间的间隙中的开关34的驱动而连接各个金属贴片32可以有效地产生较大导电性结构，其形成天线、传输线和频率选择性表面的基础。通过选择特定开关34可以配置电磁结构，并且接着通过改变开关34的状态，重构至另一个电磁结构。电磁片10还可以成为电磁片10的阵列的一部分以产生较大的电磁结构。单独的电磁片10或电磁片阵列可以重构用于多种电磁功能，例如调频发射或接收阵列、波束转向、调谐频率选择性表面和用于选路、滤波和阻抗匹配的传输线电路。可以认为小金属贴片32和开关34构成像素化可重构电磁面。在本公开中，利用来自垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列14中的激光器(通过辐射的受激发射进行光放大)的光信号驱动开关34。所述光驱动的开关34优选由相变材料(PCM)制成，因为PCM是双态的并且可以设置为导电或非导电状态。一旦设置，可以除去光驱动信号，PCM将保持在设置的状态。[0028]集成可重构电磁片10具有带有互连无线电频率(RF)馈线(feedline)16的RF和光学层，其可以与其它可重构电磁片10放置在一起以形成较大可重构电磁表面。电磁像素化片10具有金属贴片32，金属贴片32具有远小于所期望的无线电操作频率的波长的尺寸。每个金属贴片32可以被视为电磁像素化片10中的像素32。将发射/接收模块12连接至用于各个电磁结构的RF馈电的像素化表面的非可重构RF馈电结构16的数量有限，远小于像素32的数量。RF开关结构在像素32之间具有PCM开关34的PCM开关矩阵，并带有亚波长金属像素32的重叠细颗粒化阵列。RF开关34允许电磁像素化片10被重构为多个电磁功能。RF开关34可以利用VCSEL阵列14来光驱动并被重置。垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列14具有半导体激光二极管阵列，其激光束从顶面垂直发射，而非传统的边缘发射半导体激光器。因为VCSEL发射的激光束垂直于激光器的有源区(activereg1n)，与边缘发射器的平行于有源区不同，可以同时处理VCSEL阵列，例如在砷化镓晶片上。控制网络(图11和图12中示出了示例)向VCSEL阵列14中的特定激光器提供脉冲化或CW电流以重构电磁片1的功能。多层电磁带隙结构形成宽带多层接地面22以覆盖像素化片10的操作频率。[0029]本公开的某些优势在于具有锁定在一起的PCM开关34的开关结构，从而不需要备用电源，通态电阻低至?0.3Ω，从而实现低RF损耗(?0.1dB)、快速切换一20THz的RF开关速度优值系数(l/(2JiR0nC0ff))、提供高隔离(?20dB)的高开关比一>104，超高线性IP3?7dBm、高功率处理一10w、以及鲁棒性一只需要钝化层。在使用半导体和RFMEMS开关的现有技术中，需要偏压线(biaslines)驱动，从而产生很大电磁干扰。RFMEMS开关和MEMS活塞开关是机械的并出于鲁棒性而可能需要密封包装，半导体和MEMS开关通常需要恒源应用，从而需要备用电源。进一步，基于半导体和某些材料的开关可能在高功率传输情况下是非线性的。[0030]可重构像素化表面片30可以具有可重构的非驱动天线元件和位于阵列的驱动天线元件之间的其他电路。驱动和非驱动元件之间的电磁親合允许栅瓣(gratinglobe)自由波束扫描，因为驱动和耦合元件可以具有大于λ/2的间距。这能够使T/R模块数降低四分之一或更多。重构只在一个表面上发生并且非重构RF馈电线简化了集成。亚波长像素允许频率可重构性和波束扫描。[0031]在现有技术中，针对于最大扫描角，传统阵列使用每辐射元件的发射/接收(T/R)模块。天线元件的可重构性需要可重构的RF馈电以防止栅瓣。某些开关技术可能需要更大的像素并因而减小微调频率或波束扫描的能力。[0032]通过VCSEL阵列14对开关34进行超快光学驱动具有以下优势。激光器偏压线位于宽带多层接地面22以下，其将金属贴片32与用与激光器的有可能数千的控制线产生的任何无线电频率(RF)干扰屏蔽开。能量被集中并且开关可以在?1ns至10ns的时间内打开或关闭，因为其不需要单独的发热元件以及其相关的热时间常数。并且，PCM开关34的激光器阵列驱动与需要恒定功率的光导开关的发光二极管(LED)驱动相比非常功率高效。[0033]在本公开中，宽带多层接地面22可以随频率改变有效天线阵列接地面位置，其减轻了带宽(BW)对频率中的变化。采用非可重构接地面但宽带接地面22简化了集成。在现有技术中，采用单个金属接地面使阵列带宽随频率变化。可重构接地面的缺点在于在接地面层中需要开关。[0034]在本公开中，可以采用异质晶片集成以形成具有对近距和对准的微米级控制的电磁片。晶片规模集成微系统将微细加工法的固有精度用于刻图、粘合和细化处理以制成所述电磁片。亚片(sub-tile)的并行加工能够实现在集成之前子层功能(例如PCM开关34、VCSELS14以及微透镜20和26)的独立优化。用于光学器件的非集成法将需要较大系统和更多电力，并且零件装配法将无法提供集中光能量所需的对准精度，具有较高功耗并且效率低。[0035]图1A示出了本公开的一个优选实施方式。下面将从图1A的底部开始对图1A中的每层进行描述。[0036]底层具有发射/接收T/R模块12，其使RF信号满足发射和接收的条件。这些T/R模块12通常包括功率放大器、低噪声放大器、混频器、移相器、开关和环行器。与现有技术相比，本公开需要较少的T/R模块12，因为表面像素32的可重构性意味着非驱动元件调节可以用于进行波束转向、阻抗匹配和滤波等。[0037]接着的上面一层是垂直腔面发射激光器(VCSEL)14的阵列。这些激光器14提供驱动或重置电磁片10的每个像素32之间的开关34的光信号的控制。对每个像素32存在一个或多个激光器14。每个VCSEL14具有控制电子电路，其示例示于图11和图12中，用于使每个激光器14在最多两个不同的最大功率等级上独立运转并且能够控制切断(shut-off)波形。可以从商业供货商(例如PrincetonOptronics，Inc.，IElectronicsDriveMercerville，NJ08619)获得VCSEL阵列14作为定制产品。[0038]为了将来自于VCSEL的光聚集在可重构表面上，使用一个或多个微透镜阵列。如果使用一个以上的微透镜阵列，则透镜层可能不连续并且可以出现在电磁片中的不同等级的层处，例如如图1A所示，其中准直透镜阵列20正位于VCSEL阵列14上方并且聚焦透镜阵列26正位于可重构像素化表面片30下方。可以从商业供货商(例如德国JenoptikAG,Carl-Zeiss-Strasse107739Jena)获得此类的微透镜阵列作为定制产品。[0039]RF非可重构接地面22具有小孔23或针孔(pinhole)，其直径远小于针对期望的无线电操作频率的RF波长，以允许传输发自激光器14的光。由于接地面22是非可重构的，为了覆盖宽的带宽，接地面22具有多层频率选择性反射器，其对于本领域普通技术人员是公知的。多层频率选择性反射器是一种频率选择性表面，并且可以由位于介电基片的层上或之间具有带通或带止特性的导电元件阵列构成。下述的参考文献[I]描述了这种多层频率选择性反射器的一个示例，并在此全文并入。接地面22还可以连接至总系统接地。[0040]基片24可以位于接地面22与微透镜层26之间。所述基片应为透光的以使光开关驱动信号可以以最小的衰减传输通过基片。基片24可以由玻璃、熔凝硅石、石英、空气或其他透光塑料制成。并且，对于在红外光谱中操作的VCSEL14，可以使用其他基片，例如GaAs。[0041]像素化表面片30是由金属贴片32和开关34布置构成的层。金属贴片32可以是各种形状，包括正方形、矩形或八边形，其尺寸远小于波长。像素化表面片30具有基片，金属贴片32和开关34位于基片上。用于可重构像素化表面片30的基片也可以是透光的，以用于光开关驱动信号的传输。开关34位于金属贴片32之间的间隙中，并优选由相变材料(PCM)制成。这些PCM开关34直接设置在一个或多个VCSEL14上，使得来自VCSEL14的光聚焦在PCM材料34上。一些金属贴片32和PCM开关34的细节示于图1B中。金属贴片32加上围绕贴片32的每个间隙的一半可以视为可重构像素化表面片30的像素。[0042]RF输入线16将发射/接收模块层12连接至可重构像素化表面片30上的贴片32AF输入线的数量取决于最小和最大操作频率、片尺寸和可从像素获得的分辨率。一旦针对应用确定RF线的数量，RF输入线16是非可重构的。通过适当的驱动PCM开关34来配置来自于RF输入线16所连接到的贴片32的传输线，RF信号可以连接至可重构像素化表面片30上的可重构EM结构。另外，从RF接地面22至可重构像素化表面片30上的贴片可以制成非可重构RF接地线25。这些接地线可以作为可重构像素化表面片30上的可重构传输线元件的RF接地。[0043]下面将对本公开的组成元件进行详细说明。[0044]像素的外形和像素间间隙尺寸是RF耦合和/或像素32之间的隔离以及分布的PCM开关34的长宽比的重要设计参数，其直接转换为开关的等效电阻。较窄的像素间间隙的结果是用于PCM开关的较低要求光驱动功率。但是，其还导致RF耦合增加，这可能使相控阵列性能下降。[0045]图2示出了八边形贴片32和PCM开关34，贴片32间具有间隙33。八边形贴片32使贴片32之间具有较窄像素间间隙，长宽比为40:1，这降低了像素或贴片32之间的电容性RF耦合。40:1的长宽比表示相邻贴片32之间的间隙宽度36是与该贴片32接触的PCM开关34的长度38的1/40。[0046]片中的像素数量由感兴趣的最低频率确定，而像素的尺寸由高频端处所需的调谐分辨率确定。[0047]在一个示例中，具有25x25像素阵列的玻璃基片24，每个贴片或像素32为1.5mm正方形，PCM开关34的宽度36为5μπι，长度38为200μπι的可重构表面片包括可用于制成从2GHz(S-band)至12GHz(X-band)调节的贴片天线。图3的曲线示出了从2GHz(S-band)至12GHz(X-band)可调节的此示例所需像素或贴片32的最小数量。[0048]图4A、图4B和图4C示出了随着频率从fi增加至f2和从f2增加至f3如何重构可重构像素化表面片30中的贴片32。在图4A、图4B和图4C中，仅有4个RF馈电点40围绕片10设置。每个馈电点40可以连接至一个像素32。在针对的图4A中，PCM开关34配置为仅形成一个贴片42。在针对f2的图4B中，PCM开关34配置为形成三个贴片42，每个贴片连接至RF馈电点40。在针对f3的图4C中，PCM开关34配置为形成四个贴片42和五个非驱动天线元件44。四个贴片42中的每个都连接至RF馈电点40，而五个非驱动天线元件44并不连接至RF馈电点40。[0049]注意在如图4C中所示的f3处，3x3像素阵列的顶行延伸超过可重构像素化表面片30而进入下一片。在频率f3处，驱动贴片42与非驱动元件44之间的电磁耦合用于抑制所有扫描角上的栅瓣，并维持低VSWR。[0050]在图5A中，对单像素化贴片天线进行仿真，用以通过开关34的三次变换来改变天线贴片几何形状，从而被重构用于在频率8.38GHz、9.2GHz和10.1GHz处的操作。单个的固定RF馈电点被使用。图5A示出了针对三种配置的进入天线的反射系数Sn的曲线50、52和54。图5B示出了针对三种配置的远场方向图(far-field口&?6?1)56、58和59。？01开关34的开和关的表面电阻(sheetresistance)假设为100Ω/square和1000kΩ/square。[0051]在图5B所示的以10.1GHz为中心的配置中，仿真的效率大约为相同几何形状的非可重构天线的效率的80%。10%的效率差异主要是由于互连贴片或像素32的PCM开关34所造成的RF损耗。也可以使用可重构像素化表面片30来配置其他类型的平面天线，例如偶极天线、蝶形天线、分立天线(fragmentedantenna)和分形天线。[0052]如上参照图1A所讨论地，接地面22是非可重构的。因为EM结构的最佳性能(例如阻抗匹配和辐射增益)取决于所述结构与接地面之间的厚度，因此必要地是在操作频率改变时该有效差异变化。可以利用针对接地面22的多个等级的频率选择性表面来实现此目的，此方面内容描述于下面的参考文献[I]中。[0053]相变材料(PCM)开关34具有已知特性，即如果PCM材料被加热至大约300°C的一个温度并以受控方式冷却，则材料将结晶并变为可导电。如果PCM材料加热至更高温度(大约700°C)并迅速淬火，则其变为非晶形并且非导电。因此，通过此温度控制可以驱动和重置像素化表面中的开关34。用于本公开的优选PCM开关34是用碲化锗(GeTe)掺杂的硫属化物玻璃制造而成的。硫属化合物玻璃是包含一种或多种硫属化物成分的玻璃。硫属化物广泛用于可重写光盘和相变存储器中，并且通过加热，它们可以在非晶形与晶体状态之间切换，由此改变它们的光学和电气特性并允许存储信息。针对相变材料的应用在2013年I月9日提交的美国专利申请序列号13/737,441中有进一步描述，将其全文并入在此作为参考。[0054]将PCM材料34加工成位于金属贴片32的间隙内，使得当被驱动为导通状态时，开关34将在两个贴片之间提供低电阻电桥，从而将它们有效地电连接。通过此方式，通过结合多个像素或贴片32驱动开关34的特定图案，能够产生可重构平面EM结构，例如天线、传输线或者频率选择性表面。[0055]如何将PCM开关34放置在金属贴片32之间的间隙中的示例示于图6B中。图6D示出了具有并联的电阻60和电容CQff62的GeTePCM开关34的简化等效电路模型。[0056]图6A示出了针对于最高达12GHz的GeTePCM开关34的测量RF插入损耗。插入损耗在最高达12GHz时为?0.ldB，而导通状态(on-state)电阻Rcin为IΩ。图6C示出了对于示例性GeTeSP4T开关34的仿真插入损耗和隔离。可以获得小于0.1dB的插入损耗，Rcjn小于0.5Ω，并且Roff/Ron比为104。使用几何结构为宽度36为5wn和长度38为200到400ym的PCM开关34，可以实现该低等级的导通状态电阻。这种开关34与VCSEL驱动相兼容。采用1fF的断开状态(off-state)电容Cciff，RF隔离可以保持为高至25dB。[0057]替代于使用光学驱动，可以在开关附近放置小加热元件来驱动PCM开关34。但是，用于加热元件的偏置网络将使可重构EM结构的性能严重下降。可以从图7A中看到这一点，图7A分别示出了对于图7B的参考微带线、图7C的具有光学驱动的PCM开关和图7D的具有用于加热的偏压线的PCM开关的仿真结果64、65和66。具有介电常数(εΓ)为5.5的2mm厚度的玻璃基片用于该仿真。此仿真证明对于在两个相同的1mm场微带线之间间隙为5μπι的两个像素的RF性能的显著降级。在仿真中，PCM开关34具有lOOohms/square的导通状态表面电阻。对于需要偏压线的开关的情况，如图7C中所示，电磁模型包括具有代表每个PCM开关位置下方的加热器网格的电阻的电线(wireline)。图7D的配置的插入损耗S21参数的比较清楚地示出，沿微带线的RF传输在2GHz处开始降级并且在偏压线存在的情况下朝着高频变大，而在没有偏压线的情况下，如图7C中所示(其是本公开的光学驱动)，其与图7B中所示的参考微带线相比没有RF性能的降级。如图7A、图7B和图7C中所示的沿微带线的近场分布图也清楚地证明图7D与图7B和图7C相比衰减的电磁场。图7D中所示的衰减的电磁场是由像素下的偏压线造成的。[0058]本公开的光驱动消除了对于加热网格需要偏压线。PCM开关34的光驱动从聚焦的高功率垂直腔面发射激光器(VCSELH4开始，如图1A所示。相变材料(PCM)的光驱动已经用于消费者可重写DVD(DVD+RW)和用于动态光存储的蓝光盘，并且因此是一种成熟的技术，其在下面的参考文献[2]和[3]中描述。在这些应用中，具有聚焦衍射极限光斑(0.4至0.6μπι)的脉冲红(650至660nm)和紫外蓝(400至450nm)激光二极管分别用于驱动DVD和蓝光盘中的PCM材料并改变其光学反射率以用于读出。相关的写入和擦除光功率密度对于10至50ns脉冲持续时间处于15至30mW/Wi2的量级。对于DVD，采用单激光并且DVD机械地旋转，而激光沿DVD径向移动以执行读写功能。在初始状态中，DVD的记录层是多晶的。在写入期间，聚焦的激光束选择性地加热相变材料的区域至高于熔化温度，从而该区域的所有原子能够迅速地移动至液态。然后，当冷却时，随机液态被“冷冻”并且获得所谓的非晶相。如果相变层加热到熔化温度以下但是高于结晶温度并保持足够时间，则原子复原回有序状态，即结晶相。[0059]在本公开中，存在激光器阵列14，使得每个PCM开关34与激光器处于一对一的对应。优选使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)H来驱动开关34，因为其能够发射与其基片表面垂直的光束18，如图1A所示。VCSEL14具有大于40%的高功率转换效率，并且其固有地能被放置在定制二维(2D)阵列格式中。VCSEL阵列与匹配的微透镜阵列结合，可以具有足够的光学能量密度以可控地改变天线阵列中的PCM开关34的相态(phase)，并从而改变其电阻。[0060]图8A示出了多模VCSEL14的2D(二维)阵列的布局，其可以具有976nm的波长。这种阵列在下面的参考文献[4]中进行了描述。图SB示出了用于在976nm波长处产生800W的脉冲峰值功率和40%的功率转换效率的多模VCSEL14的阵列的输出光功率和功率转换效率。VCSEL阵列可以由对于每个VCSEL250ys的脉冲宽度和大约IA的峰值电流的电流脉冲波形驱动。利用具有50μπι的发射孔径和由Iys或更宽的电流脉冲波形所驱动的多模VCSEL14可以获得大约IW的峰值输出功率。将电流脉冲宽度减小到大约200ns可以得到大约5倍于针对Iys电流脉冲宽度的输出幅度。[0061]脉冲化的多模VCSEL14的高峰值输出功率可以用于加热可重构像素化表面片30的每个辐射贴片32之间的PCM材料段34，并从而切换其相态和电阻。对于基于GeTe的PCM材料34，需要在脉冲宽度700ns处的大约2mW/wn2的功率密度，以将其初始非晶相变为多晶相，如下面的参考文献[5]、[6]和[7]所述，导致其电阻率多于三个量级的降低。需要大约两倍于该值的功率密度来将PCM材料逆转至非晶相。这些光功率密度等级随着脉冲宽度的降低而增加。例如，当前对于DVD写入和擦除循环，使用在10至50ns脉冲宽度处的15至30mW/ym2等级的功率密度。[0062]为了获得足够的光功率以在给定PCM开关34中产生足够高的温度，以设置或重置开关状态，可能需要将每个光束18聚集在PCM开关34的小点上，这可以通过采用聚焦微透镜阵列来实现。通过使用线形段中的多个多模VCSEL15，多个VCSEL14可以用于驱动单一PCM开关，如图9所示。图9示出了可以用于驱动围绕四个像素的PCM开关的VCSEL阵列布局14的平面图。在图9中，VCSEL布局14遵循可重构像素化表面片30中的贴片32之间的间隙的网格。图9示出的每个线形段包括椭圆形多模VCSEL15的线形布置，VCSEL15的尺寸为沿短轴范围为从25至50ym，沿长轴为从50至lOOym，而在连续发射元件15之间具有从5至1ym的间隙。[0063]由于在所用量子阱结构中获得的光学增益，VCSEL14在高于950nm的波长时是最高效的。幸运的是，在波长范围950至980nm内发射的光处于GeTePCM材料的吸收带内，如图10中所示。在950至980nm波长(1.27至1.31eV)的吸收系数是大约2x10cm—1至3x10cm—1，如下面的参考文献[5]中所描述地，这将产生大约300至500nm的吸收深度。[0064]为了将多模VCSEL阵列14的输出功率聚集在PCM开关阵列34上，将一组两个定做的微透镜阵列放置在VCSEL14与可重构像素化表面片30之间，如图1A中所示。第一微透镜阵列20在其焦距长度处放置地靠近VCSEL阵列14以对VCSEL14发出的发散光进行准直。定位于靠近可重构像素化表面片30的聚焦微透镜阵列26将第一组微透镜20发出的准直光束聚焦在金属贴片32之间的对应PCM开关34上。聚焦微透镜26的直径和焦距例如分别为50μπι和100ym(f-number=2)例如导致在PCM开关上、IWi波长处(d0=2fλ/D，其中f为焦距，D为微透镜孔径)的大约4μηι的光斑大小。此光斑大小与图2不例布局中的PCM开关34的5μηι的宽度36良好对应。[0065]采用微透镜设计来聚焦具有以200ns或更小脉冲宽度驱动的大约IW的峰值输出功率的每个25wn孔径的VCSEL14，可以在PCM开关34上入射大于50mW/Wn2的光功率密度。此功率密度等级大到足以切换PMC的相态，甚至以更短的脉冲宽度。GeTePCM材料的电阻率在多晶相通常大约是3x10—6Qm,而在其非晶相要高4至5个数量级，如2013年I月9日提交的美国专利申请13/737，441中所描述的。对于在95011111波长光的吸收深度内的50011111的？01厚度，其，由聚焦25x50wn2的多模VCSEL元件14形成的5xl0wn2的结晶化的段的电阻大约为3Ω。如图9中所示的沿单个PCM开关34聚焦的多个激光器15将通过激光器15的数量降低电阻。[0066]用于光驱动每个可重构像素化表面片30中的PCM开关34的VCSEL阵列14需要适当的控制和驱动电子电路。在图11中示出了足以在I毫秒内为1250个VCSEL14提供电流脉冲输出的激光器驱动器开关矩阵系统的示例。VCSEL14可以分组为125个单元的块，每个单元块可以被并行寻址。每个单元将需要:具有开/关控制、脉冲宽度控制和电流水平控制的激光器驱动器70;和1:125高速开关矩阵78，其能够将激光器驱动器输出顺序地引导至所述片中的125个位置。激光器驱动器电路70具有10个激光器驱动器/开关矩阵子系统、相关缓存器和现场可编程门阵列(FPGA)控制器72以促进10个激光器驱动器并行操作，并具有单个激光器驱动器配置控制。来自每个开关矩阵78的相对输出位置对于所述片中10个激光器单元的每个都是相同的，因为开关矩阵是通过I:10分布缓存器76和FPGA控制器74并行驱动的。因此，125个FPGA输出可以被施加至1250个开关34。需要10个FPGA控制线73用于激光开/关控制和需要10个FPGA线75用于激光器驱动器电流控制。需要一个FPGA线77用于将所有激光器控制器设置为慢或快。[0067]将此方法用于较大片或多个片的扩展的示例示于图12中。在此示例中，网络驱动16个像素化片，每个具有1250个VCSEL。通过简单地插入1:16分布缓存器76和开关矩阵78即可实现此扩展，如图12所示。FPGA控制机制与图11所示单片的示例相同，需要125个开关控制器和21个激光器驱动器控制线。本领域普通技术人员可以修改此网络以用于控制像素化片内的其他数量的VCSEL。[0068]参考文献[I]至[7]在此全文并入作为参考。[0069][I]Su，T.;Li，C.Y.;He，M.;Chen，R.S.，“Anumericallyefficienttransmiss1ncharacteristicsanalysisoffiniteplanarFrequency-SelectiveSurfaceembeddedinstratifiedmedium，，，MicrowaveandMillimeterWaveTechnology(ICMMT)，2010Internat1nalConferenceon,Vol.,n0.,pp.152，155,8-llMay2010.[0070][2]DVD+Rewritable-uHowitworks”，PhiIipsMediaRelat1ns,1999,Einhoven，TheNetherlands.[0071][3]D.J.AdeIerhoI，“MediaDevelopmentforDVD+RffPhaseChangeRecording”，Proc.EuropeanSymposiumonPhaseChangeMaterial(epcos.0rg),2004.[0072][4]J.F.SevrinjR-VanleevwenandC.Ghosh，“HighPowerVCSELsMatureintoProduct1n”，LaserFocusWorldjApril2011Page61.[0073][5]J.K.0lsonetal.，“OpticalpropertiesofamorphousGeTe,Sb2Tw3,Ge2Sb2Te5:Theroleofoxygen,,JournalofAppliedPhysics,vo1.99,p.103508,2006.[0074][6]C.H.Chuetal.，“Laser-1nducedphasetransit1nofGe2Sb2Testhinfilmsusedinopticalandelectronicdatastorageandinthermallithography，，,OpticsExpress,vo1.17,p.18383,2010.[0075][7]M.Xuetal.，“PressuretuneselectricalresistivitybyfourordersofmagnitudeinamorphousGe2Sb2Tesphase-changememoryalloy”，ProceedingNat1nalAcademyScienceUSA.2012MayI；109(18):El055-El062.[0076]上文根据专利法的要求对本公开进行了说明，本领域普通技术人员将理解如何对本发明做出改变和修改以满足它们的特定要求或条件。在不背离这里所公开的本公开的范围和精神下可以做出所述改变和修改。[0077]为了根据专利法的要求对本发明进行说明，说明书详细描述了本发明的示例性优选实施方式。上述详细描述并非用于将本发明的范围限制于所述细节，而是使本领域普通技术人员能够理解并以适当方式实施本发明。可能的修改和变化对本领域普通技术人员是显而易见的。说明书中对示例性实施方式的说明中对于公差、元件尺寸、特定操作条件和工程规格等的详细说明并非用于限制本发明，可以根据具体情况进行调整和变化。【申请人】根据已知的现有技术描述了本发明，并也考虑到了未来技术进步后的改进和调整，即根据以后的现有技术。本发明的保护范围由权利要求书来确定。除非明确说明，说明书中单数形式的技术特征并非限于“一个并且只有一个”。并且，说明书中的元件、部件、方法或加工步骤也不局限于权利要求书中所限定的元件、部件、方法或加工步骤。除非明确采用“meansfor”的形式，权利要求的技术特征不属于35U.S.C.第112部分第6段所述情况。除非明确采用“包括步骤…”的形式，本文中方法和加工步骤也不属于上述法条所述情况。[0078]本文中所有元件、部分和步骤都是优选包括的。可以理解，本文所述的元件、部分和步骤可以由其他元件、部分和步骤来替换或者删除，这都与本领域普通技术人员而言是显而易见的。[0079]广义而言，本说明书至少披露下述内容:[0080]一种可重构电磁片，其包括激光器层和像素化表面，所述激光层包括多个激光器，而像素化表面包括多个金属贴片和多个开关，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片和第二相应金属贴片之间的间隙中，其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器，并且所述多个开关中的每个开关包括相变材料。[0081]概念[0082]本说明书至少披露了下面的概念:[0083]概念1.一种可重构电磁片，包括:[0084]激光器层，其包括多个激光器；以及[0085]像素化表面，其包括多个金属贴片和多个开关，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中；[0086]其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器；[0087]其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料；[0088]其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态；以及[0089]其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。[0090]概念2.根据概念I所述的可重构电磁片，其中所述多个激光器包括多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)。[0091]概念3.根据概念I所述的可重构电磁片，还包括:[0092]位于所述激光器层与所述像素化表面之间的多个透镜；[0093]其中所述多个透镜中的每个相应透镜将来自相应激光器的光聚焦到相应开关上。[0094]概念4.根据概念3所述的可重构电磁片，还包括:[0095]所述激光器层与所述像素化表面之间的接地面，所述接地面具有针孔以允许光传输通过所述接地面；[0096]其中所述针孔的直径小于针对于期望的无线电操作频率的波长。[0097]概念5.根据概念4所述的可重构电磁片，其中所述多个透镜还包括:[0098]准直透镜阵列，其包括所述激光器层与所述接地面之间的第一多个微透镜；以及[0099]聚焦透镜阵列，其包括所述接地面与所述像素化表面之间的第二多个微透镜。[0100]概念6.根据概念5所述的可重构电磁片，还包括:[0101]所述接地面与所述聚焦透镜阵列之间的透光基片；[0102]其中所述透光基片包括玻璃、熔凝硅石、石英、透光塑料或GaAs。[0103]概念7.根据概念I所述的可重构电磁片，还包括:[0104]多个发射/接收模块，每个发射/接收模块由导电体耦合至所述多个金属贴片中的至少一个金属贴片；[0105]其中所述激光层位于所述多个发射/接收模块与所述像素化表面之间。[0106]概念8.根据概念I所述的可重构电磁片，其中所述相变材料包括:[0107]碲化锗(GeTe)掺杂的硫属化物玻璃。[0108]概念9.根据概念4所述的可重构电磁片，其中所述接地面包括:[0109]多层频率选择性反射器。[0110]概念10.根据概念I所述的可重构电磁片，其中所述相变材料具有的长宽比使得相变材料跨所述间隙的宽度基本上小于所述相变材料沿所述间隙的长度。[0111]概念11.根据概念I所述的可重构电磁片，还包括:[0112]控制和驱动器电路，用于控制和选择性地驱动所述多个激光器中的激光器。[0113]概念12.根据概念I所述的可重构电磁片，其中所述像素化表面还包括:[0114]可重构非驱动元件。[0115]概念13.根据概念I所述的可重构电磁片，其中:[0116]所述金属贴片具有的尺寸小于针对于期望的无线电操作频率的波长。[0117]概念14.一种提供可重构电磁片的方法，包括:[0118]提供包括多个激光器的激光器层；以及[0119]提供包括多个金属贴片和多个开关的像素化表面，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中；[0120]其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器；[0121]其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料；[0122]其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的所述相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态；以及[0123]其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的所述相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。[0124]概念15.根据概念14所述的方法，其中所述多个激光器包括多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)。[0125]概念16.根据概念14所述的方法，还包括:[0126]提供位于所述激光器层与所述像素化表面之间的多个透镜；[0127]其中所述多个透镜中的每个相应透镜将来自相应激光器的光聚焦在相应开关上。[0128]概念17.根据概念16所述的方法，还包括:[0129]提供所述激光器层与所述像素化表面之间的接地面，所述接地面具有针孔以允许光传输通过所述接地面；[0130]其中所述针孔的直径小于针对于期望的无线电操作频率的波长。[0131]概念18.根据概念17所述的方法，其中所述多个透镜还包括:[0132]准直透镜阵列，其包括所述激光器层与所述接地面之间的第一多个微透镜；以及[0133]聚焦透镜阵列，其包括所述接地面与所述像素化表面之间的第二多个微透镜。[0134]概念19.根据概念18所述的方法，还包括:[0135]提供所述接地面与所述聚焦透镜阵列之间的透光基片；[0136]其中所述透光基片包括玻璃、熔凝硅石、石英、透光塑料或GaAs。[0137]概念20.根据概念14所述的方法，还包括:[0138]提供多个发射/接收模块，每个发射/接收模块由导电体耦合至所述多个金属贴片中的至少一个金属贴片；[0139]其中所述激光层位于所述多个发射/接收模块与所述像素化表面之间。[0140]概念21.根据概念14所述的方法，其中所述相变材料包括:[0141]碲化锗(GeTe)掺杂的硫属化物玻璃。[0142]概念22.根据概念17所述的方法，其中所述接地面包括:[0143]多层频率选择性反射器。[0144]概念23.根据概念14所述的方法，其中所述相变材料具有的长宽比使得相变材料横跨所述间隙的宽度基本上小于所述相变材料沿着所述间隙的长度。[0145]概念24.根据概念14所述的方法，还包括:[0146]提供控制和驱动器电路，用于控制和选择性地驱动所述多个激光器中的激光器。[0147]概念25.根据概念14所述的方法，其中所述像素化表面还包括:[0148]可重构非驱动元件。[0149]概念26.根据概念14所述的方法，其中:[0150]所述金属贴片具有的尺寸小于针对于期望的无线电操作频率的波长。[0151]概念27.根据概念14所述的方法，还包括:[0152]通过将所述第一多个开关设置为非导电状态并将所述第二多个开关设置为导电状态而重构所述像素化表面；[0153]其中所述非导电状态是具有基本上高于导电状态的阻抗的状态。【主权项】1.一种可重构电磁片，包括:激光器层，其包括多个激光器；以及像素化表面，其包括多个金属贴片和多个开关，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中；其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器；其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料；其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态；以及其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。2.根据权利要求1所述的可重构电磁片，其中所述多个激光器包括多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)。3.根据权利要求1所述的可重构电磁片，还包括:位于所述激光器层与所述像素化表面之间的多个透镜；其中所述多个透镜中的每个相应透镜将来自相应激光器的光聚焦到相应开关上。4.根据权利要求3所述的可重构电磁片，还包括:所述激光器层与所述像素化表面之间的接地面，所述接地面具有针孔以允许光传输通过所述接地面；其中所述针孔的直径小于针对于期望的无线电操作频率的波长。5.根据权利要求4所述的可重构电磁片，其中所述多个透镜还包括:准直透镜阵列，其包括所述激光器层与所述接地面之间的第一多个微透镜；以及聚焦透镜阵列，其包括所述接地面与所述像素化表面之间的第二多个微透镜。6.根据权利要求5所述的可重构电磁片，还包括:所述接地面与所述聚焦透镜阵列之间的透光基片；其中所述透光基片包括玻璃、熔凝硅石、石英、透光塑料或GaAs。7.根据权利要求1所述的可重构电磁片，还包括:多个发射/接收模块，每个发射/接收模块由导电体耦合至所述多个金属贴片中的至少一个金属贴片；其中所述激光层位于所述多个发射/接收模块与所述像素化表面之间。8.根据权利要求1所述的可重构电磁片，其中所述相变材料包括:碲化锗(GeTe)掺杂的硫属化物玻璃。9.根据权利要求4所述的可重构电磁片，其中所述接地面包括:多层频率选择性反射器。10.根据权利要求1所述的可重构电磁片，其中所述相变材料具有的长宽比使得相变材料跨所述间隙的宽度基本上小于所述相变材料沿所述间隙的长度。11.根据权利要求1所述的可重构电磁片，还包括:控制和驱动器电路，用于控制和选择性地驱动所述多个激光器中的激光器。12.根据权利要求1所述的可重构电磁片，其中所述像素化表面还包括:可重构非驱动元件。13.根据权利要求1所述的可重构电磁片，其中:所述金属贴片具有的尺寸小于针对于期望的无线电操作频率的波长。14.一种提供可重构电磁片的方法，包括:提供包括多个激光器的激光器层；以及提供包括多个金属贴片和多个开关的像素化表面，其中所述多个开关中的每个相应开关位于第一相应金属贴片与第二相应金属贴片之间的间隙中；其中每个相应开关光耦合至所述多个激光器中的至少一个相应激光器；其中所述多个开关中的每个开关包括相变材料；其中在耦合的相应激光器发射第一功率密度的光至相应开关的所述相变材料上时，相应开关的相变材料从非导电状态变化至导电状态；以及其中在耦合的相应激光器发射第二功率密度的光至相应开关的所述相变材料上时，相应开关的相变材料从导电状态变化至非导电状态。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个激光器包括多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)ο16.根据权利要求14所述的方法，还包括:提供位于所述激光器层与所述像素化表面之间的多个透镜；其中所述多个透镜中的每个相应透镜将来自相应激光器的光聚焦在相应开关上。17.根据权利要求16所述的方法，还包括:提供所述激光器层与所述像素化表面之间的接地面，所述接地面具有针孔以允许光传输通过所述接地面；其中所述针孔的直径小于针对于期望的无线电操作频率的波长。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个透镜还包括:准直透镜阵列，其包括所述激光器层与所述接地面之间的第一多个微透镜；以及聚焦透镜阵列，其包括所述接地面与所述像素化表面之间的第二多个微透镜。19.根据权利要求18所述的方法，还包括:提供所述接地面与所述聚焦透镜阵列之间的透光基片；其中所述透光基片包括玻璃、熔凝硅石、石英、透光塑料或GaAs。20.根据权利要求14所述的方法，还包括:提供多个发射/接收模块，每个发射/接收模块由导电体耦合至所述多个金属贴片中的至少一个金属贴片；其中所述激光层位于所述多个发射/接收模块与所述像素化表面之间。21.根据权利要求14所述的方法，其中所述相变材料包括:碲化锗(GeTe)掺杂的硫属化物玻璃。22.根据权利要求17所述的方法，其中所述接地面包括:多层频率选择性反射器。23.根据权利要求14所述的方法，其中所述相变材料具有的长宽比使得相变材料横跨所述间隙的宽度基本上小于所述相变材料沿着所述间隙的长度。24.根据权利要求14所述的方法，还包括:提供控制和驱动器电路，用于控制和选择性地驱动所述多个激光器中的激光器。25.根据权利要求14所述的方法，其中所述像素化表面还包括:可重构非驱动元件。26.根据权利要求14所述的方法，其中:所述金属贴片具有的尺寸小于针对于期望的无线电操作频率的波长。27.根据权利要求14所述的方法，还包括:通过将所述第一多个开关设置为非导电状态并将所述第二多个开关设置为导电状态而重构所述像素化表面；其中所述非导电状态是具有基本上高于导电状态的阻抗的状态。【文档编号】H01Q3/26GK105940553SQ201580004373【公开日】2016年9月14日【申请日】2015年2月9日【发明人】詹姆士·H·夏弗纳,赫·J·宋,凯万·R·萨耶,帕梅拉·R·帕特森,文贞顺,艾伦·E·里蒙,凯尔蒂·S·科纳,约瑟夫·S·科尔伯恩【申请人】Hrl实验室有限责任公司