Уникальное наноустройство открывает путь к новым беспроводным каналам связи

Многим знакома эта сцена: вы работаете на ноутбуке в кофейне, как и ещё полдюжины человек вокруг. Все пытаются загрузить веб-сайты или потоковое видео высокой чёткости и нуждаются в большей пропускной способности.

Благодаря разработке метаповерхностей — крошечных инженерных листов, которые могут отражать и направлять свет — эта мечта может скоро осуществиться. Они позволят создать выделенный беспроводной канал для связи, который будет в сотни раз быстрее и иметь в сотни раз большую пропускную способность, чем Wi-Fi.

В журнале Nature Nanotechnology опубликована статья, в которой инженеры из Калифорнийского технологического института сообщают о создании метаповерхности с миниатюрными перестраиваемыми антеннами. Эти антенны могут отражать входящий пучок оптического света и создавать множество боковых полос разных оптических частот.

С помощью метаповерхностей мы показали, что один пучок света разделяется на несколько пучков с разными частотами и направлениями, — говорит Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения.

Это похоже на массив каналов связи. И нам удалось это сделать для сигналов в свободном пространстве.

Работа предлагает новый подход к созданию беспроводных каналов связи и разработке технологий определения дальности, а также способа передачи данных в космос и из космоса.

Выход за пределы традиционных оптических элементов

Соавтор работы, аспирант из группы Этуотера, говорит, что для понимания сути их исследования нужно знать значение слова «метаповерхность».

Приставка «мета» в этом слове означает „за пределами“. Метаповерхности позволяют делать то, что невозможно с помощью обычных оптических элементов, таких как объективы камер или микроскопов.

Многослойные устройства оснащены наноразмерными антеннами, которые могут управлять светом: отражать его, рассеивать или фокусировать. Расположение этих элементов определяет реакцию света — как у зеркала или линзы.

Предыдущие работы с метаповерхностями создавали пассивные устройства, которые направляли свет и не менялись со временем. Группа Этуотера работает над активными метаповерхностями. Теперь к этим устройствам можно приложить внешний стимул, например, разные напряжения, и настроить различные функции, — говорит Джаред Сислер, аспирант из лаборатории Этуотера и соавтор статьи.

Команда создала метаповерхность, которая отражает свет в определённых направлениях и на определённых частотах. Это устройство шириной и длиной всего 120 микрон работает на оптических частотах, используемых в телекоммуникациях, например, на частоте 1530 нанометров. Эти частоты в тысячи раз выше радиочастот, поэтому обеспечивают более широкую полосу пропускания.

На радиочастотах электроника легко направляет луч света в разные стороны, как это делают радарные навигационные устройства в самолётах. Но на оптических частотах такое пока невозможно. Поэтому исследователи изменили свойства антенн.

Сислер и Туреджа создали метаповерхность из золотых антенн с полупроводниковым слоем оксида индия-олова. Подавая определённое напряжение через устройство, они могут менять плотность электронов в полупроводнике под каждой антенной и тем самым изменять коэффициент преломления материала (способность изгибать свет).

Мы можем перенаправлять отражённый свет под нужными углами в реальном времени без замены громоздких деталей, — говорит Туреджа.

Мы используем лазер с определённой частотой и модулируем антенны напряжением. Это создаёт новые частоты, которые можно использовать для передачи информации. У нас также есть пространственный контроль: мы можем выбирать направление каждого канала.
Мы генерируем и направляем эти частоты — это и есть пространственно-временной компонент нашей метаповерхности, — объясняет Сислер.

Взгляд в будущее

Команда показала, что метаповерхность разделяет и перенаправляет свет на оптических частотах в свободном пространстве. Это открытие может быть полезно в приложениях LiDAR, где свет используется для получения информации о глубине трёхмерной сцены. Конечная цель — создать «универсальную метаповерхность», которая будет передавать информацию в разных направлениях.

Этуотер, директор Liquid Sunlight Alliance в Калифорнийском технологическом институте, отмечает, что если оптические метаповерхности получат широкое распространение, то через 10 лет вы сможете сидеть в Starbucks с другими людьми за ноутбуками и получать свой высокоточный сигнал светового луча вместо радиочастотного сигнала Wi-Fi. По словам Этуотера, одна метаповерхность сможет передавать сигнал разной частоты каждому человеку.

Группа сотрудничает с Лабораторией оптических коммуникаций при JPL (Лаборатория реактивного движения). Там разрабатывают системы связи с космическими аппаратами, основанные на оптических волнах вместо радиочастотных. Это позволит передавать больше данных на более высоких частотах.

Эти устройства отлично справляются со своей задачей, — заключает Сислер.

24.07.2024