A reflective metasurface enabling linear-to-circular polarization (LP-to-CP) conversion is proposed. The metasurface polarizer is composed of active unit cells incorporating voltage-controlled varactor diodes, where the dispersion responses of the cells can be tailored. When illuminated by an incident wave, the metasurface converts the LP wave from the source to a CP one. Moreover, in a single voltage configuration, two circular polarized waves with different handedness can be obtained at distinct frequencies. Such operation can be tuned in frequency by changing the applied voltage along the metasurface. Simulations are performed to verify the concept, and measurements done on a fabricated prototype validate the polarization conversion performances at microwave frequencies.

1.
R. A.
Shelby
,
D. R.
Smith
, and
S.
Schultz
,
Science
292
,
77
(
2001
).
2.
N.
Fang
,
H.
Lee
,
C.
Sun
, and
X.
Zhang
,
Science
308
,
534
(
2005
).
3.
D.
Schurig
,
J. J.
Mock
,
B. J.
Justice
,
S. A.
Cummer
,
J. B.
Pendry
,
A. F.
Starr
, and
D. R.
Smith
,
Science
314
,
977
(
2006
).
4.
C. L.
Holloway
,
E. F.
Kuester
,
J. A.
Gordon
,
J.
O'Hara
,
J.
Booth
, and
D. R.
Smith
,
IEEE Antennas Propag. Mag.
54
,
10
(
2012
).
5.
N.
Yu
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
F.
Aieta
,
J.-P.
Tetienne
,
F.
Capasso
, and
Z.
Gaburro
,
Science
334
,
333
(
2011
).
6.
X.
Ni
,
N. K.
Emani
,
A. V.
Kildishev
,
A.
Boltasseva
, and
V. M.
Shalaev
,
Science
335
,
427
(
2012
).
7.
F.
Aieta
,
P.
Genevet
,
N.
Yu
,
M. A.
Kats
,
Z.
Gaburro
, and
F.
Capasso
,
Nano Lett.
12
,
1702
(
2012
).
8.
S.
Sun
,
K.-Y.
Yang
,
C.-M.
Wang
,
T.-K.
Juan
,
W. T.
Chen
,
C. Y.
Liao
,
Q.
He
,
S.
Xiao
,
W.-T.
Kung
,
G.-Y.
Guo
,
L.
Zhou
, and
D. P.
Tsai
,
Nano Lett.
12
,
6223
(
2012
).
9.
C.
Pfeiffer
,
N. K.
Emani
,
A. M.
Shaltout
,
A.
Boltasseva
,
V. M.
Shalaev
, and
A.
Grbic
,
Nano Lett.
14
,
2491
(
2014
).
10.
X.
Ding
,
F.
Monticone
,
K.
Zhang
,
L.
Zhang
,
D.
Gao
,
S. N.
Burokur
,
A.
de Lustrac
,
Q.
Wu
,
C.-W.
Qiu
, and
A.
Alù
,
Adv. Mater.
27
,
1195
(
2015
).
11.
X.
Chen
,
L. L.
Huang
,
H.
Muhlenbernd
,
G.
Li
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
C.-W.
Qiu
,
S.
Zhang
, and
T.
Zentgraf
,
Nat. Commun.
3
,
1198
(
2012
).
12.
F.
Aieta
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
N.
Yu
,
R.
Blanchard
,
Z.
Gaburro
, and
F.
Capasso
,
Nano Lett.
12
,
4932
(
2012
).
13.
X.
Ni
,
S.
Ishii
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Light: Sci. Appl.
2
,
e72
(
2013
).
14.
C.
Pfeiffer
and
A.
Grbic
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
197401
(
2013
).
15.
F.
Monticone
,
N. M.
Estakhri
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
203903
(
2013
).
16.
X.
Chen
,
M.
Chen
,
M. Q.
Mehmood
,
D.
Wen
,
F.
Yue
,
C.-W.
Qiu
, and
S.
Zhang
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
1201
(
2015
).
17.
N.
Yu
and
F.
Capasso
,
Nat. Mater.
13
,
139
(
2014
).
18.
Q.
Cheng
,
H. F.
Ma
, and
T. J.
Cui
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
181901
(
2009
).
19.
C.
Pfeiffer
and
A.
Grbic
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
58
,
3055
(
2010
).
20.
A.
Dhouibi
,
S. N.
Burokur
,
A.
de Lustrac
, and
A.
Priou
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
024102
(
2013
).
21.
A.
Ghasemi
,
S. N.
Burokur
,
A.
Dhouibi
, and
A.
de Lustrac
,
IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.
12
,
261
(
2013
).
22.
C.
Pfeiffer
and
A.
Grbic
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
044012
(
2014
).
23.
G.
Minatti
,
M.
Faenzi
,
E.
Martini
,
F.
Caminita
,
P.
De Vita
,
D.
Gonzalez-Ovejero
,
M.
Sabbadini
, and
S.
Maci
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
63
,
1288
(
2015
).
24.
A.
Epstein
,
J. P. S.
Wong
, and
G. V.
Eleftheriades
,
Nat. Commun.
7
,
10360
(
2016
).
25.
S.
Sun
,
Q.
He
,
S.
Xiao
,
Q.
Xu
,
X.
Li
, and
L.
Zhou
,
Nat. Mater.
11
,
426
(
2012
).
26.
L.
Huang
,
X.
Chen
,
H.
Mühlenbernd
,
H.
Zhang
,
S.
Chen
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
K.-W.
Cheah
,
C.-W.
Qiu
,
J.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Commun.
4
,
2808
(
2013
).
27.
X.
Ni
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Nat. Commun.
4
,
2807
(
2013
).
28.
W. T.
Chen
,
K. Y.
Yang
,
C. M.
Wang
,
Y. W.
Huang
,
G.
Sun
,
I. D.
Chiang
,
C. Y.
Liao
,
W. L.
Hsu
,
H. T.
Lin
,
S.
Sun
,
L.
Zhou
,
A. Q.
Liu
, and
D. P.
Tsai
,
Nano Lett.
14
,
225
(
2014
).
29.
G.
Zheng
,
H.
Mühlenbernd
,
M.
Kenney
,
G.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
308
(
2015
).
30.
Y.-W.
Huang
,
W. T.
Chen
,
W.-Y.
Tsai
,
P. C.
Wu
,
C.-M.
Wang
,
G.
Sun
, and
D. P.
Tsai
,
Nano Lett.
15
,
3122
(
2015
).
31.
J. S.
Tharp
,
J. M.
Lopez-Alonso
,
J. C.
Ginn
,
C. F.
Middleton
,
B. A.
Lail
,
B. A.
Munk
, and
G. D.
Boreman
,
Opt. Lett.
31
,
2687
(
2006
).
32.
A. C.
Strikwerda
,
K.
Fan
,
H.
Tao
,
D. V.
Pilon
,
X.
Zhang
, and
R. D.
Averitt
,
Opt. Express
17
,
136
(
2009
).
33.
M.
Euler
,
V.
Fusco
,
R.
Cahill
, and
R.
Dickie
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
58
,
2457
(
2010
).
34.
M.
Euler
,
V.
Fusco
,
R.
Cahill
, and
R.
Dickie
,
IET Microwaves, Antennas Propag.
4
,
1764
(
2010
).
35.
H. L.
Zhu
,
S. W.
Cheung
,
K. L.
Chung
, and
T. I.
Yuk
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
61
,
4615
(
2013
).
36.
D.
Wang
,
Y.
Gu
,
Y.
Gong
,
C.-W.
Qiu
, and
M.
Hong
,
Opt. Express
23
,
11114
(
2015
).
37.
J. D.
Baena
,
J. P.
del Risco
,
A. P.
Slobozhanyuk
,
S. B.
Glybovski
, and
P. A.
Belov
,
Phys. Rev. B
92
,
245413
(
2015
).
38.
Z.
Li
,
W.
Liu
,
H.
Cheng
,
S.
Chen
, and
J.
Tian
,
Sci. Rep.
5
,
18106
(
2015
).
39.
E.
Doumanis
,
G.
Goussetis
,
J.
Gomez-Tornero
,
R.
Cahill
, and
V.
Fusco
,
IEEE Trans. Antennas Propag.
60
,
212
(
2012
).
40.
M.
Pu
,
P.
Chen
,
Y.
Wang
,
Z.
Zhao
,
C.
Huang
,
C.
Wang
,
X.
Ma
, and
X.
Luo
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
131906
(
2013
).
41.
H. F.
Ma
,
G. Z.
Wang
,
G. S.
Kong
, and
T. J.
Cui
,
Opt. Mater. Express
4
,
1717
(
2014
).
42.
H.-X.
Xu
,
S.
Tang
,
S.
Ma
,
W.
Luo
,
T.
Cai
,
S.
Sun
,
Q.
He
, and
L.
Zhou
,
Sci. Rep.
6
,
38255
(
2016
).
43.
Z.
Tao
,
X.
Wan
,
B. C.
Pan
, and
T. J.
Cui
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
121901
(
2017
).
44.
K.
Chen
,
Y.
Feng
,
F.
Monticone
,
J.
Zhao
,
B.
Zhu
,
T.
Jiang
,
L.
Zhang
,
Y.
Kim
,
X.
Ding
,
S.
Zhang
,
A.
Alù
, and
C.-W.
Qiu
,
Adv. Mater.
29
,
1606422
(
2017
).
45.
L.
Cong
,
P.
Pitchappa
,
C.
Lee
, and
R.
Singh
,
Adv. Mater.
29
,
1700733
(
2017
).
46.
L.
Cong
,
P.
Pitchappa
,
Y.
Wu
,
L.
Ke
,
C.
Lee
,
N.
Singh
,
H.
Yang
, and
R.
Singh
,
Adv. Opt. Mater.
5
,
1600716
(
2017
).
47.
ANSYS HFSS (High Frequency Structure Simulator), version 17 (
2016
).
48.
See https://www.macom.com/products/product-detail/MGV125-08 for further details on the MGV125-08 GaAs hyperabrupt varactor diodes.
49.
C. A.
Balanis
,
Antenna Theory: Analysis and Design
, 2nd ed. (
John Wiley & Sons
,
1997
).
You do not currently have access to this content.