超越传统光学元件：加州理工学院科学家构建出“时空超表面”，可用于开发新型无线通信信道

据介绍，这种“光频率下的电可调时空超表面（Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies）”可同时控制和改变光的频率，能够为未来的无线通信信道指明方向。相关成果已经发表在《自然：纳米技术》上（附 DOI：10.1038/s41565-024-01728-9）。

如图所示，入射激光束（绿色）撞击这种新型“时空超表面”并经过可调纳米结构天线的调制，可产生不同频率的可控光束（蓝色），可用作在地球或太空传输数据的光通道。

“通过这些超表面，我们已经能够证明，一束光进来，多束光出去，每束光都有不同的光频率并朝不同方向传播，”工程与应用科学系奥蒂斯・布思领导主席、霍华德・休斯应用物理学和材料科学教授、论文高级作者哈里・阿特沃特说，“它就像是一个完整的通信通道阵列。我们找到了在自由空间信号而不是光纤上传输信号的方法。”

这项工作不仅为开发新型无线通信信道指出了一条充满可行性的道路，而且还可能为开发新的测距技术，甚至是一种将更多数据传输到太空和从太空传输数据的新方法指明了方向。

要理解这项工作，首先要考虑“超表面（metasurface）”这个词。“meta”这个词源自希腊语前缀，意为“超越”。

“超表面”旨在超越传统光学元件（如相机或显微镜镜头）的能力，这种多层晶体管式设备采用了精心挑选的纳米天线图案设计，可以反射、散射或以其他方式控制光线。这些平面设备可以通过战略性地设计一系列能够影响光响应方式的纳米元素来聚焦光线（类似于镜头）或反射光线（类似于镜子）。

据介绍，这种被称为“时空超表面”的东西可以以特定的方向和特定的频率反射光（频率定义为每秒通过一个点的波数）。这种设备的核心仅有 120 微米长宽，在反射模式下工作于通常用于电信的光学频率（具体为 1530 纳米），比无线电频率高出数千倍，这意味着将带来更多的可用带宽。

在无线电频率下，电子设备可以轻松地将光束转向不同方向，例如飞机上使用的雷达导航设备就可以实现这一点，但目前还没有电子设备可以在更高的光学频率下做到这一点。因此，研究人员不得不尝试不同的方法，即改变天线本身的特性。

西斯勒和图雷贾以某种方式开发出了这种由金天线组成的“超表面”，下面有一层可电调谐的氧化铟锡半导体层，可通过在整个设备上施加已知的电压分布对每个天线下方半导体层中的电子密度实现局部调节，从而改变其折射率（材料的折光能力）。

图雷贾表示，“通过在整个设备上具有不同电压的空间配置，我们可以实时以指定角度重定向反射光，而无需更换任何笨重的组件。”

“我们让一束入射激光以一定频率撞击我们的超表面，然后用高频电压信号及时调制天线信号，从而产生了多个由入射激光携带的新频率或边带，可用于作为发送信息的高数据速率通道。最重要的是，我们仍具备空间控制能力，这意味着我们可以选择每个通道在空间中的位置，”西斯勒解释道，“我们正在生成频率并引导它们在空间中传播。这就是这个超表面的时空组成部分。”

加州理工学院液体阳光联盟的主任阿特沃特表示，“如果光学超表面成为一种可实现并广泛应用的技术，那么十年后，你将能够与一群其他人一起坐在星巴克里上网，而每个人获得的不是射频 Wi-Fi 信号，而是他们自己的高保真光信号”，“一个超表面将能够向每个人发射不同的频率。”