Les chercheurs ont conçu et démontré deux dispositifs à métasurface térahertz entièrement en silicium qui peuvent être utilisés pour créer quatre canaux optiques pour mettre en œuvre simultanément différentes fonctions optiques. Cette capacité pourrait être utile pour une variété d’applications telles que la communication, l’imagerie térahertz, la manipulation de particules ou le codage d’informations quantiques.
La nouvelle technologie pourrait, par exemple, faciliter la transition vers des réseaux sans fil 6G plus rapides, qui seront probablement basés sur des ondes à haute fréquence telles que celles de la région des térahertz.
« Les réseaux 6G nécessiteront probablement plus de stations de base pour atteindre une couverture complète du signal », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Fuyu Li de l’Université des sciences et technologies électroniques de Chine. « Les multiples canaux produits par nos appareils pourraient être utilisés pour obtenir simultanément une déviation du faisceau à plusieurs fréquences, ce qui réduirait le besoin de plus de stations de base et accélérerait l’arrivée des communications 6G. »
Dans la revue Recherche en photonique, les chercheurs décrivent les nouveaux dispositifs, qui représentent une toute nouvelle méthode pour superposer diverses formes d’ondes térahertz, notamment des ondes focalisées, sphériques et vortex. Lorsque les ondes sont superposées, elles sont essentiellement additionnées pour produire un nouveau type d’onde qui est la somme des composantes d’origine.
« Nous avons combiné des métasurfaces artificielles qui ont des propriétés électromagnétiques spéciales avec les états de superposition de différentes formes d’ondes térahertz », a déclaré Li. « Cette combinaison unique offre de nombreux degrés de liberté, qui peuvent être utilisés pour créer des dispositifs térahertz plus polyvalents. De tels dispositifs pourraient augmenter la précision de la manipulation des particules ou élargir les canaux de communication optique, par exemple. »
Appareils polyvalents
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont utilisé des métasurfaces de 500 μm d’épaisseur pour créer deux dispositifs térahertz. Les métasurfaces sont des matériaux conçus avec de minuscules nanostructures qui peuvent être utilisées pour manipuler la lumière.
Le premier dispositif qu’ils ont réalisé utilise l’état de polarisation d’une onde térahertz comme interrupteur pour sélectionner les informations portées par les états superposés des ondes vortex et sphériques. Les ondes sphériques se propagent vers l’extérieur dans toutes les directions possibles tandis que les ondes vortex ont une forme hélicoïdale particulière. Cette forme de torsion crée un mouvement de rotation qui confère un moment angulaire orbital (OAM), qui peut être utilisé pour transporter des informations ou déplacer des particules.
Ce dispositif pourrait utiliser l’état de polarisation de l’onde électromagnétique incidente comme commutateur de sélection du nombre de franges d’interférence, ce qui pourrait être utile pour l’interférométrie, l’analyse Doppler et d’autres applications. Dans ce cas, lorsque des ondes polarisées x frappent la métasurface verticalement, cela créerait un motif d’interférence avec deux bandes en spirale dans le sens des aiguilles d’une montre.
Les chercheurs ont également conçu un deuxième appareil qui peut utiliser l’état de polarisation de l’onde térahertz comme commutateur pour sélectionner le nombre de canaux pour la transmission multicanal. Par exemple, lorsque deux ondes avec des polarisations x frappent la métasurface verticalement, l’onde transmise a deux canaux : gauche et droit. Ces deux canaux transportent respectivement des ondes vortex et sphériques, sans aucune interférence.
Activation de nouvelles applications térahertz
« Ce travail pourrait aider l’OAM à devenir un vecteur de transmission d’informations entre les photons et les objets », a déclaré Li. « Cela pourrait également permettre de nouveaux dispositifs photoniques ultra-minces qui facilitent le développement du cryptage des informations térahertz et des communications haute fréquence. »
Après avoir démontré théoriquement à la fois les états de superposition et la transmission multicanal des ondes vortex et sphériques, ils ont également effectué des simulations et des expériences. Lors des tests expérimentaux, les chercheurs ont mesuré des états de superposition entre le vortex et des ondes sphériques proches du plan focal, montrant que le dispositif fonctionnait bien. Ils ont également montré que le sens de rotation et l’intensité des bandes d’interférence en spirale produites étaient compatibles avec les conceptions théoriques et simulées.
Les chercheurs travaillent maintenant à intégrer davantage de fonctionnalités dans les métasurfaces. Ils souhaitent également améliorer le rapport signal sur bruit dans leurs systèmes de test afin de pouvoir observer des phénomènes physiques encore plus petits produits avec des métasurfaces.
Plus d’information:
Fuyu Li et al, Métasurface térahertz entièrement diélectrique pour la transmission multicanal à polarisation linéaire et les états de superposition d’ondes sphériques et vortex, Recherche en photonique (2023). DOI : 10.1354/PRJ.477381. opg.optica.org/prj/fulltext.cf … j-11-3-485&id=527104