Nowa metapowierzchnia opracowana przez Caltech może podzielić wiązkę światła na kilka kanałów, zwiększając możliwości komunikacji bezprzewodowej i transmisji danych na częstotliwościach optycznych, co może znaleźć potencjalne zastosowania w komunikacji kosmicznej i LiDAR. Źródło: Caltech
Inżynierowie Caltech wprowadzili innowacyjną metapowierzchnię, która manipuluje światłem, aby zapewnić wiele kanałów komunikacyjnych na częstotliwościach optycznych.
Technologia ta obiecuje usprawnić transmisję danych w różnych dziedzinach, w tym w komunikacji kosmicznej i LiDAR, wykraczając poza tradycyjne metody elektroniczne i oferując znaczną poprawę przepustowości.
Rewolucjonizuje komunikację bezprzewodową za pomocą metapowierzchni
Jest to scena, którą wielu z nas zna: pracujesz na laptopie w lokalnej kawiarni z może pół tuzinem innych użytkowników laptopów – każdy z was próbuje załadować strony internetowe lub przesyłać strumieniowo filmy w wysokiej rozdzielczości i wszyscy pragniesz większej przepustowości. Teraz wyobraźcie sobie, że każdy z Was ma dedykowany kanał bezprzewodowy do komunikacji, który jest setki razy szybszy niż Wi-Fi, z którego korzystamy dzisiaj, i ma setki razy większą przepustowość. To marzenie może nie być odległe dzięki rozwojowi metapowierzchni — maleńkich arkuszy, które mogą odbijać i w inny sposób kierować światło w pożądany sposób.
Przełom w technologii optycznych metapowierzchni
W artykule opublikowanym 24 lipca w czasopiśmie Nanotechnologia naturyzespół inżynierów z Caltech donosi, że zbudował taką metapowierzchnię ozdobioną maleńkimi, przestrajalnymi antenami, które są w stanie odbijać przychodzącą wiązkę światła optycznego, tworząc wiele pasm bocznych lub kanałów o różnych częstotliwościach optycznych.
„Dzięki tym metapowierzchniom byliśmy w stanie wykazać, że jedna wiązka światła wchodzi, a wiele wiązek światła wychodzi, każda o różnych częstotliwościach optycznych i biegnąca w różnych kierunkach” – mówi Harry Atwater, dyrektor ds. kierownictwa firmy Otis Booth Wydziału Inżynierii i Nauk Stosowanych, profesor fizyki stosowanej i nauk o materiałach Howarda Hughesa oraz główny autor nowego artykułu. „Działa jak cała gama kanałów komunikacyjnych. Znaleźliśmy sposób, aby to zrobić w przypadku sygnałów w wolnej przestrzeni, a nie sygnałów przesyłanych światłowodem”.
Prace wskazują obiecującą drogę rozwoju nie tylko nowego typu kanału komunikacji bezprzewodowej, ale także potencjalnie nowych technologii określania zasięgu, a nawet nowatorskiego sposobu przekazywania większych ilości danych do i z kosmosu.
Padająca wiązka lasera (zielona) uderza w nową metapowierzchnię czasoprzestrzeni Caltech i zostaje modulowana przez przestrajalne, nanostrukturalne anteny, tworząc sterowalne wiązki światła o różnych częstotliwościach (niebieskie), które można wykorzystać jako kanały optyczne do przesyłania danych na Ziemi lub w kosmosie. Źródło: Caltech
Mechanika metapowierzchni: poza tradycyjną optyką
Współautor nowej publikacji Prachi Thureja, absolwent grupy Atwatera, twierdzi, że aby zrozumieć ich pracę, najpierw rozważ słowo „metapowierzchnia”. Rdzeń „meta” pochodzi od greckiego przedrostka oznaczającego „poza”. Metapowierzchnie są zaprojektowane tak, aby działać poza co możemy zrobić z konwencjonalnymi, nieporęcznymi elementami optycznymi, takimi jak soczewki aparatu lub mikroskopu. Wielowarstwowe urządzenia przypominające tranzystory są projektowane według starannie dobranego wzoru nanoskala anteny, które mogą odbijać, rozpraszać lub w inny sposób kontrolować światło. Te płaskie urządzenia mogą skupiać światło niczym soczewka lub odbijać je niczym lustro, poprzez strategiczne projektowanie szeregu elementów w skali nano, które modyfikują sposób, w jaki reaguje światło.
Wiele wcześniejszych prac z metapowierzchniami skupiało się na tworzeniu urządzeń pasywnych, które mają pojedynczą funkcję kierowania światłem, ustaloną w czasie. Z kolei grupa Atwatera skupia się na tak zwanych aktywnych metapowierzchniach. „Teraz możemy zastosować do tych urządzeń bodziec zewnętrzny, taki jak szereg różnych napięć, i dostroić się między różnymi funkcjami pasywnymi”, mówi Jared Sisler, również absolwent w laboratorium Atwatera i współautor artykułu.
W najnowszej pracy zespół opisuje tak zwaną metapowierzchnię czasoprzestrzenną, która może odbijać światło w określonych kierunkach i przy określonych częstotliwościach (funkcja czasu, ponieważ częstotliwość definiuje się jako liczbę fal przechodzących przez punkt na sekundę). . To urządzenie metapowierzchniowe, którego rdzeń ma zaledwie 120 mikronów szerokości i 120 mikronów długości, działa w trybie odbicia przy częstotliwościach optycznych zwykle używanych w telekomunikacji, w szczególności przy 1530 nanometrach. Jest to tysiące razy więcej niż częstotliwości radiowe, co oznacza, że dostępna szerokość pasma jest znacznie większa.
Na częstotliwościach radiowych elektronika może z łatwością kierować wiązką światła w różnych kierunkach. Jest to rutynowo realizowane za pomocą radarowych urządzeń nawigacyjnych używanych w samolotach. Jednak obecnie nie ma urządzeń elektronicznych, które mogłyby to zrobić przy znacznie wyższych częstotliwościach optycznych. Dlatego badacze musieli spróbować czegoś innego, czyli zmienić właściwości samych anten.
Sisler i Thureja stworzyli swoją metapowierzchnię składającą się ze złotych anten, pod którymi znajduje się elektrycznie przestrajalna warstwa półprzewodnika z tlenku indu i cyny. Stosując znany profil napięcia w urządzeniu, można lokalnie modulować gęstość elektronów w warstwie półprzewodnika pod każdą anteną, zmieniając jej współczynnik załamania światła (zdolność materiału do zaginania światła). „Dzięki przestrzennej konfiguracji różnych napięć w urządzeniu możemy następnie w czasie rzeczywistym przekierować odbite światło pod określonymi kątami, bez konieczności wymiany jakichkolwiek nieporęcznych komponentów” – mówi Thureja.
„Mamy padający laser uderzający w naszą metapowierzchnię z określoną częstotliwością i modulujemy anteny w czasie za pomocą sygnału napięciowego o wysokiej częstotliwości. Generuje to wiele nowych częstotliwości, czyli pasm bocznych, które są przenoszone przez padające światło lasera i mogą być wykorzystywane jako kanały o dużej przepustowości do przesyłania informacji. Co więcej, nadal mamy kontrolę przestrzenną, co oznacza, że możemy wybrać, dokąd zmierza każdy kanał w przestrzeni” – wyjaśnia Sisler. „Generujemy częstotliwości I sterując nimi w przestrzeni. To jest komponent czasoprzestrzenny tej metapowierzchni.”
Przyszłe zastosowania i uniwersalna łączność
Oprócz wykazania, że taka metapowierzchnia jest w stanie rozszczepiać i przekierowywać światło o częstotliwościach optycznych w wolnej przestrzeni (a nie w światłowodach), zespół twierdzi, że prace wskazują na kilka możliwych zastosowań. Te metapowierzchnie mogą być przydatne w zastosowaniach LiDAR, lekkim odpowiedniku radaru, w którym światło wykorzystuje się do przechwytywania informacji o głębokości z trójwymiarowej sceny. Ostatecznym marzeniem jest opracowanie „uniwersalnej metapowierzchni”, która utworzyłaby wiele kanałów optycznych, z których każdy przenosiłby informacje w różnych kierunkach w wolnej przestrzeni.
„Jeśli metapowierzchnie optyczne staną się wykonalną technologią, która będzie się rozprzestrzeniać, za dziesięć lat będzie można siedzieć w kawiarni Starbucks z grupą innych osób na laptopach i zamiast otrzymywać przez każdą osobę sygnał Wi-Fi o częstotliwości radiowej, oni uzyskać własny sygnał wiązki światła o wysokiej wierności” – mówi Atwater, który jest także dyrektorem Liquid Sunlight Alliance w Caltech. „Jedna metapowierzchnia będzie w stanie przesyłać do każdej osoby inną częstotliwość”.
Grupa współpracuje z Laboratorium Łączności Optycznej przy ul JPL, który pracuje nad wykorzystaniem częstotliwości optycznych zamiast fal radiowych do komunikacji z misjami kosmicznymi, ponieważ umożliwiłoby to przesyłanie znacznie większej ilości danych na wyższych częstotliwościach. „Te urządzenia byłyby idealne do tego, co robią” – mówi Sisler.
Nowy artykuł zatytułowany „Electrically przestrajalne metapowierzchnie czasoprzestrzenne na częstotliwościach optycznych” ukazuje się w numerze czasopisma z 24 lipca Nanotechnologia natury.
Odniesienie: „Elektrycznie przestrajalne metapowierzchnie czasoprzestrzenne na częstotliwościach optycznych” Jareda Sislera, Prachi Thureja, Meira Y. Grajowera, Ruzana Sokhoyana, Ivy Huanga i Harry’ego A. Atwatera, 24 lipca 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9
Do dodatkowych autorów artykułu należą Meir Y. Grajower, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w grupie Atwatera; Ruzan Sokhoyan, naukowiec zajmujący się nanofotoniką w Caltech; i Ivy Huang, była Letnie stypendium badawcze dla studentów studiów licencjackich uczeń w grupie Atwatera. Prace wsparło Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Meta-Imaging MURI, DARPA EXTREME, Kanadyjska Rada ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynierii oraz Meta Platforms, Inc.
