שחרור כוחו של האור עם משטחי מטה מתקדמים לתקשורת אלחוטית במהירות גבוהה

מהנדסי Caltech הציגו מטא-משטח חדשני המבצע מניפולציות באור כדי לספק ערוצי תקשורת מרובים בתדרים אופטיים.

טכנולוגיה זו מבטיחה לשפר את העברת הנתונים בתחומים שונים כולל תקשורת חלל ו-LiDAR, מעבר לשיטות אלקטרוניות מסורתיות ומציעה שיפורים משמעותיים ברוחב הפס.

מהפכה בתקשורת אלחוטית עם מטאספייס

זו סצנה שרבים מאיתנו מכירים: אתה עובד על המחשב הנייד שלך בבית הקפה המקומי עם אולי חצי תריסר משתמשי מחשב נייד אחרים – כל אחד מכם מנסה לטעון אתרים או להזרים סרטונים בחדות גבוהה, וכולם משתוקקים ליותר רוחב פס. עכשיו תארו לעצמכם שלכל אחד מכם היה ערוץ אלחוטי ייעודי לתקשורת שהיה מהיר פי מאות מה-Wi-Fi שאנו משתמשים בו היום, עם רוחב פס גדול פי מאות. החלום הזה אולי לא רחוק הודות לפיתוח של משטחים – יריעות מהונדסות זעירות שיכולות לשקף ולהפנות אור בדרכים רצויות.

פריצת דרך בטכנולוגיית Metasurface אופטית

במאמר שפורסם ב-24 ביולי בכתב העת טבע ננוטכנולוגיהצוות מהנדסי Caltech מדווח על בניית משטח מטה שכזה בדוגמת אנטנות זעירות שניתן לכוונן המסוגלות לשקף קרן אור אופטית נכנסת כדי ליצור פסי צד, או ערוצים רבים, בתדרים אופטיים שונים.

"עם המטא-משטחים האלה, הצלחנו להראות שקרן אור אחת נכנסת פנימה, ואלומות אור מרובות יוצאות, כל אחת עם תדרים אופטיים שונים והולכת לכיוונים שונים", אומר הארי אטוואטר, יו"ר המנהיגות של Otis Booth המחלקה להנדסה ומדע יישומי, הפרופסור של הווארד יוז לפיזיקה שימושית ולמדעי החומרים, ומחבר בכיר על המאמר החדש. "זה מתנהג כמו מערך שלם של ערוצי תקשורת. ומצאנו דרך לעשות זאת עבור אותות של שטח פנוי במקום לאותות הנישאים על סיב אופטי."

העבודה מצביעה על מסלול מבטיח לפיתוח לא רק סוג חדש של ערוץ תקשורת אלחוטי אלא גם טכנולוגיות חדשות לאיתור טווחים ואפילו דרך חדשה להעביר כמויות גדולות יותר של נתונים לחלל וממנו.

המכניקה של מטא-משטחים: מעבר לאופטיקה המסורתית

מחבר שותף בעיתון החדש Prachi Thureja, סטודנט לתואר שני בקבוצה של Atwater, אומר שכדי להבין את עבודתם, שקול תחילה את המילה "מטא-שטח". השורש, "מטה", מגיע מקידומת יוונית שמשמעותה "מעבר". משטחי מטא נועדו ללכת מעבר מה אנחנו יכולים לעשות עם אלמנטים אופטיים מסורבלים, כמו עדשות מצלמה או מיקרוסקופ. המכשירים דמויי הטרנזיסטור הרב-שכבתיים מתוכננים עם דפוס שנבחר בקפידה של ננומטרי אנטנות שיכולות להחזיר אור, לפזר או לשלוט בדרך אחרת. המכשירים השטוחים האלה יכולים למקד אור, בסגנון של עדשה, או לשקף אותו, כמו מראה, על ידי עיצוב אסטרטגי של מערך של אלמנטים ננומטריים שמשנים את האופן שבו האור מגיב.

עבודה קודמת רבה עם משטחי מטה התמקדה ביצירת מכשירים פסיביים בעלי פונקציונליות יחידה של מכוונת אור המקובעת בזמן. לעומת זאת, הקבוצה של אטוואטר מתמקדת במה שמכונה מטא-משטחים פעילים. "עכשיו אנחנו יכולים להפעיל גירוי חיצוני, כמו מערך של מתחים שונים, על המכשירים האלה ולכוון בין פונקציות פסיביות שונות", אומר ג'ארד סיסלר, גם הוא סטודנט לתואר שני במעבדה של Atwater ומחבר מוביל בעיתון.

בעבודה האחרונה, הצוות מתאר את מה שהם מכנים מטא-משטח של מרחב-זמן שיכול להחזיר אור לכיוונים ספציפיים וגם בתדרים מסוימים (פונקציה של זמן, שכן התדר מוגדר כמספר הגלים שעוברים נקודה בשנייה) . מכשיר מטא-שטח זה, הליבה שלו היא רק ברוחב של 120 מיקרון ואורכה של 120 מיקרון, פועל במצב השתקפות בתדרים אופטיים המשמשים בדרך כלל לתקשורת, במיוחד ב-1,530 ננומטר. זה גבוה פי אלפי מונים מתדרי רדיו, מה שאומר שיש הרבה יותר רוחב פס זמין.

בתדרי רדיו, אלקטרוניקה יכולה לנתב בקלות אלומת אור לכיוונים שונים. זה מושג באופן שגרתי על ידי מכשירי ניווט מכ"ם המשמשים במטוסים. אבל כרגע אין מכשירים אלקטרוניים שיכולים לעשות זאת בתדרים האופטיים הגבוהים בהרבה. לכן, החוקרים נאלצו לנסות משהו אחר, שהיה לשנות את המאפיינים של האנטנות עצמן.

סיסלר ותורג'ה יצרו את המטא-משטח שלהם כך שיורכב מאנטנות זהב, עם שכבת מוליכים למחצה הניתנת לכיוון חשמלי של תחמוצת פח אינדיום. על ידי החלת פרופיל מתח ידוע על פני המכשיר, הם יכולים לווסת מקומית את צפיפות האלקטרונים בשכבת המוליכים למחצה מתחת לכל אנטנה, ולשנות את מקדם השבירה שלה (יכולת כיפוף האור של החומר). "על ידי התצורה המרחבית של מתחים שונים על פני המכשיר, אנו יכולים לנתב מחדש את האור המוחזר בזוויות מוגדרות בזמן אמת ללא צורך להחליף רכיבים מגושמים", אומר Thureja.

"יש לנו לייזר מקרי שפוגע במטא-השטח שלנו בתדר מסוים, ואנחנו מווסתים את האנטנות בזמן עם אות מתח בתדר גבוה. זה מייצר תדרים חדשים מרובים, או פסי צד, הנישאים על ידי אור הלייזר הנובע וניתן להשתמש בהם כערוצי קצב נתונים גבוהים לשליחת מידע. נוסף על כך, עדיין יש לנו שליטה מרחבית, כלומר אנחנו יכולים לבחור לאן כל ערוץ הולך בחלל", מסביר סיסלר. "אנחנו מייצרים תדרים ו לנווט אותם בחלל. זה מרכיב המרחב-זמן של מטא-השטח הזה."

יישומים עתידיים וקישוריות אוניברסלית

מעבר להדגמה כי משטח כזה מסוגל לפצל ולנתב אור בתדרים אופטיים בחלל פנוי (ולא בסיבים אופטיים), הצוות אומר שהעבודה מצביעה על מספר יישומים אפשריים. משטחים אלה יכולים להיות שימושיים ביישומי LiDAR, המקבילה לאור של מכ"ם, שבהם נעשה שימוש באור כדי ללכוד את מידע העומק מסצנה תלת מימדית. החלום האולטימטיבי הוא לפתח "משטח מטא אוניברסלי" שייצור מספר ערוצים אופטיים, שכל אחד מהם נושא מידע בכיוונים שונים בחלל הפנוי.

"אם משטחי מטא אופטיים יהפכו לטכנולוגיה ניתנת למימוש שמתרבה, בעוד עשור מעכשיו תוכל לשבת בסטארבקס עם חבורה של אנשים אחרים על המחשבים הניידים שלהם, ובמקום שכל אדם יקבל אות Wi-Fi בתדר רדיו, הם יקבלו לקבל אות אלומת אור משלהם בנאמנות גבוהה", אומר Atwater, שהוא גם מנהל Liquid Sunlight Alliance ב-Caltech. "משטח אחד יוכל להקרין תדר שונה לכל אדם."

הקבוצה משתפת פעולה עם המעבדה לתקשורת אופטית ב JPL, שעובדת על שימוש בתדרים אופטיים ולא בגלי תדר רדיו לתקשורת עם משימות חלל מכיוון שהדבר יאפשר את היכולת לשלוח הרבה יותר נתונים בתדרים גבוהים יותר. "המכשירים האלה יהיו מושלמים למה שהם עושים", אומר סיסלר.

המאמר החדש, "משטחי מרחב-זמן ניתנים לכוונון חשמלי בתדרים אופטיים", מופיע בגיליון ה-24 ביולי של כתב העת טבע ננוטכנולוגיה.

מחברים נוספים על המאמר כוללים את מאיר י. גרג'ובר, פוסט-דוקטורט לשעבר עמית מחקר בקבוצתו של Atwater; Ruzan Sokhoyan, מדען מחקר ננופוטוניקה ב-Caltech; ואיבי הואנג, סטודנט לשעבר במלגת מחקר לתואר ראשון בקיץ בקבוצה של Atwater. העבודה נתמכה על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי Meta-Imaging MURI, DARPA EXTREME, מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה, ו-Meta Platforms, Inc.