Исследователи разработали и продемонстрировали два полностью кремниевых терагерцовых метаповерхностных устройства, которые можно использовать для создания четырех оптических каналов для одновременной реализации различных оптических функций. Эта возможность может быть полезна для различных приложений, таких как связь, терагерцовая визуализация, манипулирование частицами или кодирование квантовой информации.
Новая технология может, например, облегчить переход к более быстрым беспроводным сетям 6G , которые, вероятно, будут основаны на высокочастотных волнах, например, в терагерцовом диапазоне.
«Сетям 6G, вероятно, потребуется больше базовых станций для достижения полного покрытия сигнала», — сказал руководитель исследовательской группы Фую Ли из Университета электронных наук и технологий Китая. «Множество каналов, создаваемых нашими устройствами, можно использовать для одновременного отклонения луча на нескольких частотах, что уменьшит потребность в большем количестве базовых станций и ускорит появление связи 6G».
В журнале Photonics Research исследователи описывают новые устройства, которые представляют собой совершенно новый метод наложения различных форм терагерцовых волн, включая сфокусированные, сферические и вихревые волны. Когда волны накладываются друг на друга, они, по сути, складываются вместе, чтобы создать новый тип волны, который представляет собой сумму исходных компонентов.
«Мы объединили искусственные метаповерхности, обладающие особыми электромагнитными свойствами, с состояниями суперпозиции различных форм терагерцовых волн», — сказал Ли. «Эта уникальная комбинация предлагает множество степеней свободы, которые можно использовать для создания более универсальных терагерцовых устройств. Например, такие устройства могут повысить точность манипулирования частицами или расширить каналы оптической связи».
Универсальные устройства
В новой работе исследователи использовали метаповерхности толщиной 500 мкм для создания двух терагерцовых устройств. Метаповерхности — это материалы, созданные из крошечных наноструктур, которые можно использовать для управления светом.
Первое устройство, которое они сделали, использует состояние поляризации терагерцовой волны в качестве переключателя для выбора информации, переносимой суперпозиционными состояниями вихревых и сферических волн. Сферические волны распространяются наружу во всех возможных направлениях, а вихревые волны имеют особую спиральную форму. Эта скручивающаяся форма создает вращательное движение, которое придает орбитальный угловой момент (ОУМ), который можно использовать для переноса информации или перемещения частиц.
Это устройство может использовать состояние поляризации падающей электромагнитной волны в качестве переключателя выбора количества интерференционных полос, что может быть полезно для интерферометрии, доплеровского анализа и других приложений. В этом случае, когда x-поляризованные волны ударяются о метаповерхность вертикально, это создаст интерференционную картину с двумя спиральными полосами, направленными по часовой стрелке.
Исследователи также разработали второе устройство, которое может использовать состояние поляризации терагерцовой волны в качестве переключателя для выбора количества каналов для многоканальной передачи. Например, когда две волны с x-поляризацией падают на метаповерхность вертикально, то прошедшая волна имеет два канала: левый и правый. Эти два канала несут вихревую и сферическую волны соответственно без каких-либо помех.
Включение новых терагерцовых приложений
«Эта работа может помочь OAM стать носителем для передачи информации между фотонами и объектами», — сказал Ли. «Это также может позволить создать новые ультратонкие фотонные устройства, которые облегчат разработку терагерцового шифрования информации и высокочастотной связи».
После теоретической демонстрации как состояний суперпозиции, так и многоканальной передачи вихревых и сферических волн они также провели моделирование и эксперименты. В ходе экспериментальных испытаний исследователи измерили состояния суперпозиции между вихревой и сферической волнами вблизи фокальной плоскости , показав, что устройство работает хорошо. Они также показали, что направление вращения и интенсивность образующихся спиральных интерференционных полос соответствуют теоретическим и смоделированным конструкциям.
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы интегрировать больше функций в метаповерхности. Они также хотят улучшить отношение сигнал/шум в своих испытательных системах, чтобы они могли наблюдать еще более мелкие физические явления, возникающие при использовании метаповерхностей.
