光频率下的电可调时空超构表面，大幅扩展无线通信信道
2024-07-29 14:41:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

想象一下我们熟悉的场景：在咖啡馆里，我们打开笔记本电脑工作或刷手机，旁边可能还有好几个人也在用笔记本电脑连接网络，如果大家都在加载网站或观看高清流媒体视频，就需要更高的带宽。

要是每个人都有一个专用的无线通信信道，比我们现在使用的Wi-Fi快几百倍，带宽也多出几百倍，那会显著提高效率，改善我们的上网体验。随着超构表面（metasurfaces）技术的发展，这个梦想也许并不遥远。超构表面是一种可以按所需要的方式反射或引导光的微型工程片材。

据麦姆斯咨询介绍，美国加州理工学院的一支研究团队在Nature Nanotechnology杂志上发表了一篇题为“Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies”的论文，研究人员构建了一种布满微型可调天线的超构表面，能够反射入射光束，进而产生许多不同光频率的边带或信道。

该论文通讯作者Harry Atwater教授说：“通过这种超构表面，我们已经能够证明，一束光射入，多束光射出，且每束光的频率不同，可以朝不同的方向传输。它就像一个完整的通信信道阵列。而且我们已经找到了一种方法，不仅可以对光纤上的信号，还可以对自由空间信号做到这一点。”

这项成果不仅为开发新型无线通信信道指明了有前景的方向，而且为开发潜在的新测距技术，甚至为在太空中传送大量数据提供了一种新方法。

超越传统光学元件

该论文共同第一作者、Atwater教授研究小组的研究生Prachi Thureja表示，要理解他们的工作，首先要理解“超构表面”这个词，其词根“meta”来自希腊语前缀，意为“超越”。

超构表面的设计超越了传统的大尺寸光学元件（如照相机或显微镜的镜头）。这种多层类晶体管器件采用精心设计的纳米级天线图案，可以反射、散射或以其它方式控制光。

通过策略性地设计纳米级元件阵列来改变对光的响应，这些平面器件可以像透镜一样聚焦光线，也可以像镜子一样反射光线。

此前有关超构表面的许多研究都集中于构建具有单一光导功能且时间固定的无源器件。相比之下，Atwater教授研究小组则专注于所谓的有源超构表面。

该论文共同第一作者、Atwater教授实验室的研究生Jared Sisler说：“现在，我们可以对这些超构表面施加外部刺激，比如一系列不同的电压，并在不同的无源功能之间进行调制。”

在最新的研究中，该研究小组介绍了他们开发的“时空超构表面”，它能以特定的方向和频率反射光。

这种超构表面的核心仅有120微米宽、120微米长，在通常用于电信的光学频率下以反射模式工作，具体来说是在1530纳米。这比无线电频率高出数千倍，这意味着可用带宽要大得多。

在无线电频率下，电子设备可以轻松地将波束转向不同的方向。飞机上使用的雷达导航设备就可以实现这一功能。但目前还没有电子设备能在更高的光频率下做到这一点。因此，研究人员不得不尝试一些不同的方法，即改变天线本身的特性。

Sisler和Thureja开发的超构表面由金天线组成，下面有一层可电调谐的氧化铟锡半导体层。通过在器件上施加已知的电压曲线，可以局部调节每个天线下方半导体层中的电子密度，从而改变其折射率（材料的光弯曲能力）。

基于氧化铟锡的等离子体超构表面

Thureja说：“通过对整个器件设置不同的电压空间配置，无需更换任何笨重组件，我们就可以实时将反射光重新定向到指定的角度。”

“我们让入射激光以一定频率照射超构表面，然后用高频电压信号及时调制天线。由此产生由入射激光携带的多个新频率或边带，可用作高速率信道发送信息。此外，这种超构表面还有空间控制能力，意味着我们可以选择每个信道在空间中的传输方向。”Sisler解释说，“产生新频率并在空中操控它们，这就是该超构表面的时空含义。”

展望未来

除了证明这种超构表面能够在自由空间（而不是在光纤中）以光学频率分裂并重新定向光，该团队还表示，这项成果还指出了几种可能的应用。

这些超构表面可以在激光雷达（LiDAR）应用中发挥作用，即利用光捕捉三维场景的深度信息。研究人员的终极梦想是开发出一种“通用型超构表面”，它能创建多个光学信道，每个信道都能在自由空间中向不同方向传输信息。

Atwater说：“如果光学超构表面成为一种现实技术并得到推广，那么十年后，我们就可以坐在星巴克里，和其他一群人一起用笔记本电脑上网，每个人获得的将不再是无线射频Wi-Fi信号，而是各自的高保真光束信号。一个超构表面将能向每个人传送不同的频率。”

该小组正在与JPL的光通信实验室（Optical Communications Laboratory）合作，后者正在研究使用光频率而不是射频波与太空任务进行通信，这样就能以更高的频率发送更多的数据。Sisler表示这些超构表面器件非常适合他们的研究工作。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01728-9

延伸阅读：

《光学和射频应用的超构材料-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》