Metapinta luo ja ohjaa useita optisia kanavia eri suuntiin

Caltechin insinöörien ryhmä raportoi rakentaneensa sellaisen metapinnan, joka on kuvioitu pienillä viritettävillä antenneilla, jotka pystyvät heijastamaan tulevan optisen valosäteen luomaan monia sivukaistoja tai kanavia eri optisilla taajuuksilla.

"Näiden metapintojen avulla pystyimme osoittamaan, että kun yksi valonsäde tulee sisään ja useita valonsäteitä ohjautuu, kukin eri optisilla taajuuksilla ja eri suuntiin", sanoo professori Harry Atwater. "Se toimii kokonaisena joukkona viestintäkanavia. Olemme löytäneet tavan tehdä tämä vapaan tilan signaaleille optisessa kuidussa kuljetetun signaalien sijaan."

Työ osoittaa lupaavan reitin uudenlaisen langattoman viestintäkanavan kehittämiseen, mutta myös mahdollisesti uusiin etäisyysmittaustekniikoihin ja jopa uuteen tapaan välittää suurempia datamääriä avaruuteen ja avaruudesta.

Uuden metapinnan monikerroksiset koostuvat nanomittakaavan antenneista, jotka voivat heijastaa, sirottaa tai muuten ohjata valoa. Ne voivat kohdistaa valoa linssin tapaan tai heijastaa sitä peilin tapaan.

Aikaisempi työ metapintojen parissa on keskittynyt luomaan passiivisia laitteita, joissa on yksi valoa ohjaava toiminto, joka on kiinteä ajassa. Sitä vastoin Atwaterin ryhmä keskittyy niin kutsuttuihin aktiivisiin metapintoihin.

"Nyt voimme käyttää ulkoista ärsykettä, kuten erilaisiajännitteitä, näihin rakenteisiin ja virittää eri passiivisten toimintojen välillä", sanoo Jared Sisler, Atwaterin laboratorion jatko-opiskelija.

Uusimmassa työssä ryhmä kuvailee sitä, mitä he kutsuvat aika-avaruuden metapinnaksi, joka voi heijastaa valoa tiettyihin suuntiin ja myös tietyillä taajuuksilla (ajan funktio, koska taajuus määritellään aaltojen lukumääräksi, jotka kulkevat pisteen sekunnissa).

Tämä metapintarakenne, jonka ydin on vain 120 mikronia leveä ja 120 mikronia pitkä, toimii heijastustilassa televiestinnässä tyypillisesti käytetyillä optisilla taajuuksilla, erityisesti 1 530 nanometrillä. Tämä on tuhansia kertoja suurempi kuin radiotaajuudet, mikä tarkoittaa, että käytettävissä on paljon enemmän kaistanleveyttä.

Radiotaajuuksilla elektroniikka pystyy helposti ohjaamaan valonsäteen eri suuntiin. Mutta tällä hetkellä ei ole elektronisia laitteita, jotka voisivat tehdä tämän paljon korkeammilla optisilla taajuuksilla. Siksi tutkijoiden täytyi kokeilla jotain erilaista, mikä oli muuttaa antennien itsensä ominaisuuksia.

Tutkijat loivat metapinnansa koostumaan kultaisista antenneista, joiden alla oli sähköisesti viritettävä indiumtinaoksidin puolijohdekerros. Soveltamalla tunnettua jänniteprofiilia rakenteen yli he saattoivat moduloida paikallisesti elektronien tiheyttä puolijohdekerroksessa kunkin antennin alla ja muuttaa sen taitekerrointa. "Jos rakenteessa on eri jännitteille avaruudellinen konfiguraatio, voimme sitten ohjata heijastuneen valon tiettyihin kulmiin reaaliajassa ilman, että tarvitsee vaihtaa kookkaita komponentteja", jatko-opiskelija Prachi Thureja selvittää.

Kun laser osuu metapintaan tietyllä taajuudella ja tutkijat moduloivat antenneja reaaliajassa korkeataajuisella jännitesignaalilla syntyy useita uusia sivukaistataajuuksia, joiden kantajana on tuleva laservalo ja joita voidaan käyttää suuren datasiirtonopeuden kanavina.

Tämän lisäksi käytettävissä on avaruudellinen ohjaus, mikä mahdollistaa, että voidaan valita, mihin suuntaan kukin kanava lähtee. "Tuotamme taajuuksia ja ohjaamme niitä avaruudessa. Se on tämän metapinnan aika-avaruuskomponentti.", Sisler selittää.

Nämä metapinnat voivat olla hyödyllisiä LiDAR-sovelluksissa, tutkan valovastaavissa, joissa valoa käytetään syvyystietojen kaappaamiseen kolmiulotteisesta kohtauksesta. Lopullinen unelma on kehittää "universaalinen metapinta", joka loisi useita optisia kanavia, joista jokainen kuljettaa tietoa eri suuntiin vapaassa tilassa.

Tutkimusjulkaisu: Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies

Aiheesta aiemmin:

Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja

Ei-vastavuoroista ja aikakiteistä metapintaa

Monitoimiset metapintojen antennit