Metasurface gaat nieuwe Li-Fi en Lidar Tech maken

Een nieuw, afstembaar slim oppervlak kan een enkele lichtpuls omzetten in meerdere stralen, elk in verschillende richtingen gericht. Proof-of-principle-ontwikkeling opent de deur naar een reeks innovaties op het gebied van communicatie, beeldvorming, sensoren en geneeskunde.

Het onderzoek komt uit het Caltech-lab van Harry Atwater, hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, en wordt mogelijk gemaakt door een soort nano-gemanipuleerd materiaal dat een metasurface wordt genoemd. “Dit zijn kunstmatig ontworpen oppervlakken die in principe bestaan ​​uit nanogestructureerde patronen”, zegt Prachi Thureja, een afgestudeerde student in de groep van Atwater. “Het is dus een reeks nanostructuren, en elke nanostructuur stelt ons in essentie in staat de eigenschappen van licht lokaal te controleren.”

Het oppervlak kan tot wel een miljoen keer per seconde opnieuw worden geconfigureerd om de manier waarop het licht lokaal regelt te veranderen. Dat is snel genoeg om licht te manipuleren en om te leiden voor toepassingen in optische datatransmissie zoals optische ruimtecommunicatie en Li-Fi, evenals lidar.

“[The metasurface] het brengt een ongekende vrijheid op het gebied van lichtregeling met zich mee”, zegt Alex MH Wong, universitair hoofddocent Elektrotechniek aan de City University van Hong Kong. “Als we dit kunnen doen, betekent dit dat bestaande draadloze technologieën naar de optische modus kunnen worden gemigreerd. Li-Fi en LIDAR dienen als goede voorbeelden.”

Metasurfaces elimineren de behoefte aan lenzen en spiegels

Bij het manipuleren en richten van een lichtstraal zijn meestal een reeks conventionele lenzen en spiegels nodig. Deze lenzen en spiegels kunnen microscopisch klein zijn, maar ze maken nog steeds gebruik van optische eigenschappen van materialen zoals de wet van Snell, die de voortgang van een golffront door verschillende materialen beschrijft en hoe dat golffront wordt omgeleid (of gebroken) op basis van de eigenschappen van het materiaal. zelf.

Het nieuwe werk biedt daarentegen de mogelijkheid om de optische eigenschappen van een materiaal elektrisch te manipuleren via een halfgeleidend materiaal. Gecombineerd met spiegelelementen op nanoschaal kunnen platte, microscopische apparaten worden gemaakt die zich als een lens gedragen, zonder dat er stukken gebogen of gebogen glas nodig zijn. En de optische eigenschappen van het nieuwe metasurface kunnen miljoenen keren per seconde worden veranderd met behulp van elektrische signalen.

“Het verschil met ons apparaat is dat door verschillende spanningen op het apparaat aan te leggen, we het profiel van het licht dat uit de spiegel komt kunnen veranderen, ook al beweegt het niet fysiek”, zegt co-auteur Jared Sisler, ook een afgestudeerde student bij Atwater. . groep. “En dan kunnen we het licht besturen alsof het een elektrisch herprogrammeerbare spiegel is.”

Het apparaat zelf, een chip van 120 micrometer aan elke kant, bereikt zijn lichtmanipulatiemogelijkheden met een ingebed oppervlak van kleine gouden antennes in een halfgeleiderlaag van indiumtinoxide. Door de spanningen op een halfgeleider te manipuleren, verandert het vermogen van het materiaal om licht te buigen – ook wel de brekingsindex genoemd. Tussen de reflectie van de gouden spiegelelementen en het afstembare brekingsvermogen van de halfgeleider worden veel snel afstembare manipulaties van licht mogelijk.

“Ik denk dat het hele idee van het gebruik van een solid-state metasurface of een optisch apparaat om licht in de ruimte te richten en dat te gebruiken om informatie te coderen – ik bedoel, zoiets bestaat momenteel niet”, zegt Sisler. “Dus ik bedoel, technisch gezien kun je meer informatie sturen als je hogere modulatiesnelheden kunt krijgen. Maar aangezien dit een nieuw domein is, zijn de prestaties van ons apparaat meer bedoeld om het principe te tonen.”

Metasurfaces bieden veel nieuwe mogelijkheden

Het principe, zegt Wong, suggereert een breed scala aan toekomstige technologieën, op basis van wat volgens hem waarschijnlijke ontwikkelingen en doorbraken op de korte termijn zijn.

“Het Metasoppervlak [can] plat, ultradun en licht zijn en tegelijkertijd functies vervullen die normaal gesproken worden bereikt door een reeks zorgvuldig gebogen lenzen”, zegt Wong. ‘Wetenschappers ontdekken momenteel nog steeds de enorme mogelijkheden die de metasurface tot onze beschikking heeft.

“Dankzij verbeteringen in de nanofabricage kunnen elementen met kleine kenmerkgroottes die veel kleiner zijn dan een golflengte nu op betrouwbare wijze worden vervaardigd”, vervolgt Wong. “Veel metasurface-functionaliteiten worden routinematig gedemonstreerd, wat niet alleen ten goede komt aan communicatie, maar ook aan beeldvorming, detectie en geneeskunde, onder andere… Ik weet dat naast de interesse van de academische wereld, verschillende spelers uit de industrie ook diep geïnteresseerd zijn en aanzienlijke investeringen doen in de duw van deze technologie richting commercialisering.”