Forscher haben zwei vollständig aus Silizium bestehende Terahertz-Metaoberflächengeräte entwickelt und demonstriert, die zur Erzeugung von vier optischen Kanälen zur gleichzeitigen Implementierung unterschiedlicher optischer Funktionen verwendet werden können. Diese Fähigkeit könnte für eine Vielzahl von Anwendungen wie Kommunikation, Terahertz-Bildgebung, Teilchenmanipulation oder Codierung von Quanteninformationen nützlich sein.
Die neue Technologie könnte beispielsweise dazu beitragen, den Übergang zu schnelleren 6G-Funknetzen zu erleichtern, die wahrscheinlich auf Hochfrequenzwellen wie denen im Terahertz-Bereich basieren werden.
„6G-Netze werden wahrscheinlich mehr Basisstationen benötigen, um eine vollständige Signalabdeckung zu erreichen“, sagte Fuyu Li, Leiter des Forschungsteams von der University of Electronic Science and Technology of China. „Die von unseren Geräten erzeugten mehreren Kanäle könnten verwendet werden, um gleichzeitig eine Strahlablenkung bei mehreren Frequenzen zu erreichen, was den Bedarf an mehr Basisstationen verringern und die Einführung von 6G-Kommunikation beschleunigen würde.“
Im Tagebuch Photonik-Forschungbeschreiben die Forscher die neuen Geräte, die eine völlig neue Methode zur Überlagerung verschiedener Formen von Terahertz-Wellen darstellen, darunter fokussierte, sphärische und Vortex-Wellen. Wenn Wellen überlagert werden, werden sie im Wesentlichen addiert, um eine neue Art von Welle zu erzeugen, die die Summe der ursprünglichen Komponenten ist.
„Wir haben künstliche Metaoberflächen, die spezielle elektromagnetische Eigenschaften haben, mit den Überlagerungszuständen verschiedener Formen von Terahertzwellen kombiniert“, sagt Li. „Diese einzigartige Kombination bietet viele Freiheitsgrade, die genutzt werden können, um vielseitigere Terahertz-Geräte zu bauen. Solche Geräte könnten beispielsweise die Präzision der Teilchenmanipulation erhöhen oder die Kanäle der optischen Kommunikation erweitern.“
Vielseitige Geräte
In der neuen Arbeit verwendeten die Forscher Metaoberflächen mit einer Dicke von 500 μm, um zwei Terahertz-Geräte herzustellen. Metaoberflächen sind Materialien mit winzigen Nanostrukturen, die zur Manipulation von Licht verwendet werden können.
Das erste von ihnen hergestellte Gerät verwendet den Polarisationszustand einer Terahertzwelle als Schalter, um die Informationen auszuwählen, die von den überlagerten Zuständen von Wirbel- und Kugelwellen getragen werden. Sphärische Wellen breiten sich in alle möglichen Richtungen nach außen aus, während Wirbelwellen eine spezielle spiralförmige Form haben. Diese verdrehte Form erzeugt eine Rotationsbewegung, die einen orbitalen Drehimpuls (OAM) vermittelt, der zum Tragen von Informationen oder zum Bewegen von Partikeln verwendet werden kann.
Dieses Gerät könnte den Polarisationszustand der einfallenden elektromagnetischen Welle als Auswahlschalter für die Anzahl der Interferenzstreifen verwenden, was für Interferometrie, Doppler-Analyse und andere Anwendungen nützlich sein könnte. Wenn x-polarisierte Wellen in diesem Fall vertikal auf die Metaoberfläche treffen, würde dies ein Interferenzmuster mit zwei im Uhrzeigersinn spiralförmigen Streifen erzeugen.
Die Forscher entwarfen auch ein zweites Gerät, das den Polarisationszustand der Terahertz-Welle als Schalter verwenden kann, um die Anzahl der Kanäle für die Mehrkanalübertragung auszuwählen. Wenn beispielsweise zwei Wellen mit x-Polarisation vertikal auf die Metaoberfläche treffen, hat die übertragene Welle zwei Kanäle: links und rechts. Diese beiden Kanäle übertragen Wirbel- bzw. Kugelwellen ohne Interferenz.
Ermöglichung neuer Terahertz-Anwendungen
„Diese Arbeit könnte OAM helfen, ein Träger für die Informationsübertragung zwischen Photonen und Objekten zu werden“, sagte Li. „Es könnte auch neue ultradünne photonische Geräte ermöglichen, die die Entwicklung von Terahertz-Informationsverschlüsselung und Hochfrequenzkommunikation erleichtern.“
Nachdem sie sowohl Überlagerungszustände als auch Mehrkanalübertragung von Wirbel- und Kugelwellen theoretisch demonstriert hatten, führten sie auch Simulationen und Experimente durch. In den experimentellen Tests maßen die Forscher Überlagerungszustände zwischen Wirbel- und Kugelwellen nahe der Brennebene und zeigten, dass das Gerät gut funktionierte. Sie zeigten auch, dass die Rotationsrichtung und Intensität der erzeugten spiralförmigen Interferenzstreifen mit den theoretischen und simulierten Designs übereinstimmten.
Die Forscher arbeiten nun daran, mehr Funktionalität in die Metaoberflächen zu integrieren. Sie wollen auch das Signal-Rausch-Verhältnis in ihren Testsystemen verbessern, um noch kleinere physikalische Phänomene beobachten zu können, die mit Metaoberflächen erzeugt werden.
Mehr Informationen:
Fuyu Li et al, Volldielektrische Terahertz-Metaoberfläche für linear polarisierte Mehrkanalübertragung und Überlagerungszustände von Kugel- und Wirbelwellen, Photonik-Forschung (2023). DOI: 10.1354/PRJ.477381. opg.optica.org/prj/fulltext.cf … j-11-3-485&id=527104