Tilpasning af ikke -linearitet med tidsdomænes metasurface til trådløs kommunikation

Elektromagnetiske og optiske ikke -lineære effekter udgør en vigtig platform inden for et bredt spektrum af teknologier, herunder høj harmonisk generation, sum og differens frekvens konverteringer, selvfokuserende, optiske solitons, og multi-fotonabsorption. Når den belyses med høj lysintensitet, materialegenskaberne ændres afhængigt af de anvendte elektromagnetiske feltamplituder, og den ikke -lineære proces forbedres kraftigt under samspillet mellem lys og materialer, giver anledning til spektrale komponenter ved nye frekvenser. Selvom der er opnået enorme fremskridt for ikke -lineære manipulationer i de seneste år, den samlede effektivitet af frekvensomformningen er stadig meget lav.

Metamaterialer, som normalt udgøres af rumligt fordelt periodisk eller ikke-periodisk array af subbølgelængderesonatorer, er blevet demonstreret som et kraftfuldt værktøj til at ændre reaktionerne fra hændelige elektromagnetiske bølger. Ved at optimere elementets geometrier og deres rumlige tilpasninger, metamaterialerne er lette at oprette egenskaber, der kan tilpasses meget, og som kan udnyttes i en lang række forskellige applikationer som f.eks. superopløsning, optisk tilsløring, og nye antenner. Metamaterialers ikke -lineære egenskaber har vist nye potentialer for frekvenskonvertering på grund af de inducerede lokale felter omkring resonatorerne. Imidlertid, konverteringsforholdet er ikke tilfredsstillende især under excitation af små signaler.

I et nyt papir offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved State Key Laboratory of Millimeter Waves i Nanjing, Kina, det nationale mobilkommunikationsforskningslaboratorium i Nanjing, Kina, og Photonics Initiative, Advanced Science Research Center i New York, OS, præsentere de seneste fremskridt inden for den ikke-lineære harmoniske manipulation med en programmerbar tidsdomæne digital kodende metasurface. De finder ud af, at metaoverfladen med tidsvarierende reflektivitet kan reagere på excitationsbæreren ikke -lineært på en stærk måde, med den harmoniske intensitet afhængig af den digitale kodningssekvens af refleksionsamplituden og fasen.

Disse forskere opsummerer detaljerne i metasoverfladens teori og designmetode, og den fremtidige anvendelse af denne teknologi.

Forfatterne skriver, "Inspireret af metaoverflader med digital domæne til rumdomæne, vi anvender komplekse moduleringsstrategier til at skræddersy bølgesagens interaktioner og frekvensspektrum samtidigt, hvor metasoverfladens diskrete refleksionsfasetilstande styres af den digitale kodningssekvens. Vi demonstrerer, at stærke ikke -lineære processer muliggøres af den tidsmæssige modulering af indfaldende bølger på metaoverfladen med nøjagtige kontroller af både amplitude og fasefordelinger for alle harmoniske. "

Metasurface er sammensat af periodiske kodningselementer fyldt med varactordioder. "Drevet af forskellige kombinationer af udgangsspændinger fra et feltprogrammerbart gate -array (FPGA), vores metasurface kan implementere mange funktioner ved at styre tidsdomænet digitale kodningstilstande, " de skriver.

"Som et eksempel på applikationer, vi undersøger implementeringen af ​​et nyt binært frekvens-skift-nøgle (BFSK) trådløst kommunikationssystem, hvilket i høj grad forenkler de klassiske heterodyne -arkitekturer for trådløse netværkssystemer. I det foreslåede BFSK -system, de to grundlæggende bærefrekvenser syntetiseres direkte via metasurface, uden at bruge kompliceret analog-digital konverter og mikrobølge filtre, blandere, og forstærkere, viser store fordele med hensyn til enkelhed og effektivitet, "tilføjer de.

"Det foreslåede koncept og metode baner vej for forenklede og kompakte kommunikations- og radarsystemer til et bredt frekvensområde, fra akustisk til mikrobølger og optik, "forudsiger forskerne.

De beregnede spektrale intensiteter af outputharmonikerne under forskellige PM -modulationer. (a-b), 1-bit PM kodning 01010101 ... med længden af ​​kodningssekvensen M =2 og refleksionsperioden T =1μs. (c-d), 2-bit PM kodning 00-01-00-01 -... med M =2 og T =1μs. (e-f), 2-bit PM-kodning 00-01-10-11 -... med M =4 og T =2μs. g-h, 2-bit PM kodning 11-10-01-00 -... med M =4 og T =2μs.