Membuka Kekuatan Cahaya Dengan Metasurfaces Canggih untuk Komunikasi Nirkabel Berkecepatan Tinggi

Insinyur Caltech telah memperkenalkan metasurface inovatif yang memanipulasi cahaya untuk menyediakan beberapa saluran komunikasi pada frekuensi optik.

Teknologi ini menjanjikan peningkatan transmisi knowledge di berbagai bidang termasuk komunikasi ruang angkasa dan LiDAR, melampaui metode elektronik tradisional dan menawarkan peningkatan bandwidth yang substansial.

Merevolusi Komunikasi Nirkabel Dengan Metasurfaces

Ini adalah pemandangan yang sudah tidak asing lagi bagi banyak dari kita: Anda sedang bekerja menggunakan laptop computer di kedai kopi lokal dengan sekitar setengah lusin pengguna laptop computer lainnya—masing-masing dari Anda mencoba memuat situs internet atau melakukan streaming video definisi tinggi, dan semuanya menginginkan lebih banyak bandwidth. Sekarang bayangkan bahwa masing-masing dari Anda memiliki saluran nirkabel khusus untuk komunikasi yang ratusan kali lebih cepat daripada Wi-Fi yang kita gunakan saat ini, dengan bandwidth ratusan kali lebih banyak. Mimpi itu mungkin tidak akan jauh dari kenyataan berkat pengembangan metasurfaces—lembaran rekayasa kecil yang dapat memantulkan dan mengarahkan cahaya dengan cara yang diinginkan.

Terobosan dalam Teknologi Metasurface Optik

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tanggal 24 Juli di jurnal Nanoteknologi Alamsebuah tim insinyur Caltech melaporkan pembangunan metasurface yang berpola dengan antena kecil yang dapat disetel yang mampu memantulkan berkas cahaya optik yang masuk untuk menciptakan banyak pita samping, atau saluran, dengan frekuensi optik yang berbeda.

“Dengan permukaan meta ini, kami dapat menunjukkan bahwa satu berkas cahaya masuk, dan beberapa berkas cahaya keluar, masing-masing dengan frekuensi optik yang berbeda dan bergerak ke arah yang berbeda,” kata Harry Atwater, Ketua Kepemimpinan Otis Sales space dari Divisi Teknik dan Sains Terapan, Profesor Howard Hughes untuk Fisika Terapan dan Sains Materials, dan penulis senior pada makalah baru tersebut. “Ini bertindak seperti serangkaian saluran komunikasi yang lengkap. Dan kami telah menemukan cara untuk melakukan ini untuk sinyal ruang bebas daripada sinyal yang dibawa oleh serat optik.”

Pekerjaan ini mengarah pada rute yang menjanjikan untuk pengembangan tidak hanya jenis baru saluran komunikasi nirkabel tetapi juga teknologi penentu jangkauan yang berpotensi baru dan bahkan cara baru untuk menyampaikan knowledge dalam jumlah besar ke dan dari luar angkasa.

Sinar laser yang datang (hijau) mengenai metasurface ruang-waktu baru milik Caltech dan dimodulasi oleh antena berstruktur nano yang dapat disetel, sehingga menghasilkan sinar cahaya yang dapat diarahkan pada frekuensi yang berbeda (biru) yang dapat digunakan sebagai saluran optik untuk mentransmisikan knowledge di Bumi atau di luar angkasa. Kredit: Caltech

Mekanika Metasurfaces: Melampaui Optik Tradisional

Penulis utama makalah baru Prachi Thureja, mahasiswa pascasarjana di kelompok Atwater, mengatakan untuk memahami pekerjaan mereka, pertama-tama pertimbangkan kata “metasurface.” Akar kata, “meta,” berasal dari awalan bahasa Yunani yang berarti “di luar.” Metasurfaces dirancang untuk di luar apa yang dapat kita lakukan dengan elemen optik konvensional yang besar, seperti lensa kamera atau mikroskop. Perangkat seperti transistor multilayer direkayasa dengan pola yang dipilih secara cermat skala nano antena yang dapat memantulkan, menyebarkan, atau mengendalikan cahaya. Perangkat datar ini dapat memfokuskan cahaya, seperti lensa, atau memantulkannya, seperti cermin, dengan merancang secara strategis serangkaian elemen berskala nano yang mengubah cara cahaya merespons.

Banyak penelitian sebelumnya dengan metasurfaces berfokus pada pembuatan perangkat pasif yang memiliki satu fungsi pengarahan cahaya yang tetap dalam waktu. Sebaliknya, kelompok Atwater berfokus pada apa yang dikenal sebagai metasurfaces aktif. “Sekarang kita dapat menerapkan stimulus eksternal, seperti serangkaian tegangan yang berbeda, ke perangkat ini dan menyesuaikan antara berbagai fungsi pasif,” kata Jared Sisler, yang juga seorang mahasiswa pascasarjana di lab Atwater dan salah satu penulis utama makalah tersebut.

Dalam karya terbaru, tim tersebut menggambarkan apa yang mereka sebut metasurface ruang-waktu yang dapat memantulkan cahaya ke arah tertentu dan juga pada frekuensi tertentu (fungsi waktu, karena frekuensi didefinisikan sebagai jumlah gelombang yang melewati suatu titik per detik). Perangkat metasurface ini, yang intinya hanya selebar 120 mikron dan panjang 120 mikron, beroperasi dalam mode refleksi pada frekuensi optik yang biasanya digunakan untuk telekomunikasi, khususnya pada 1.530 nanometer. Ini ribuan kali lebih tinggi daripada frekuensi radio, yang berarti ada lebih banyak bandwidth yang tersedia.

Pada frekuensi radio, perangkat elektronik dapat dengan mudah mengarahkan seberkas cahaya ke berbagai arah. Hal ini biasanya dilakukan oleh perangkat navigasi radar yang digunakan di pesawat terbang. Namun, saat ini belum ada perangkat elektronik yang dapat melakukan hal ini pada frekuensi optik yang jauh lebih tinggi. Oleh karena itu, para peneliti harus mencoba sesuatu yang berbeda, yaitu mengubah sifat antena itu sendiri.

Sisler dan Thureja menciptakan metasurface mereka yang terdiri dari antena emas, dengan lapisan semikonduktor yang dapat disetel secara elektrik dari indium tin oxide. Dengan menerapkan profil tegangan yang diketahui di seluruh perangkat, mereka dapat memodulasi kepadatan elektron secara lokal di lapisan semikonduktor di bawah setiap antena, mengubah indeks biasnya (kemampuan materials untuk membelokkan cahaya). “Dengan memiliki konfigurasi spasial dari tegangan yang berbeda di seluruh perangkat, kami kemudian dapat mengarahkan ulang cahaya yang dipantulkan pada sudut tertentu secara actual time tanpa perlu mengganti komponen yang besar,” kata Thureja.

“Kami memiliki laser insiden yang mengenai metasurface kami pada frekuensi tertentu, dan kami memodulasi antena tepat waktu dengan sinyal tegangan frekuensi tinggi. Ini menghasilkan beberapa frekuensi baru, atau sideband, yang dibawa oleh cahaya laser insiden dan dapat digunakan sebagai saluran dengan kecepatan knowledge tinggi untuk mengirim informasi. Selain itu, kami masih memiliki kontrol spasial, yang berarti kami dapat memilih ke mana setiap saluran pergi di ruang angkasa,” jelas Sisler. “Kami menghasilkan frekuensi Dan mengarahkan mereka di luar angkasa. Itulah komponen ruang-waktu dari metasurface ini.”

Aplikasi Masa Depan dan Konektivitas Common

Selain menunjukkan bahwa metasurface tersebut mampu membelah dan mengarahkan cahaya pada frekuensi optik di ruang bebas (bukan di serat optik), tim tersebut mengatakan bahwa pekerjaan tersebut mengarah pada beberapa kemungkinan aplikasi. Metasurface ini dapat berguna dalam aplikasi LiDAR, yang setara dengan radar dalam hal cahaya, di mana cahaya digunakan untuk menangkap informasi kedalaman dari pemandangan tiga dimensi. Impian utamanya adalah mengembangkan “metasurface common” yang akan menciptakan beberapa saluran optik, yang masing-masing membawa informasi ke arah yang berbeda di ruang bebas.

“Jika metasurfaces optik menjadi teknologi yang dapat direalisasikan dan berkembang biak, satu dekade dari sekarang Anda akan dapat duduk di Starbucks dengan sekelompok orang lain di laptop computer mereka dan alih-alih setiap orang mendapatkan sinyal Wi-Fi frekuensi radio, mereka akan mendapatkan sinyal sinar cahaya fidelitas tinggi mereka sendiri,” kata Atwater, yang juga merupakan direktur Liquid Daylight Alliance di Caltech. “Satu metasurfaces akan dapat memancarkan frekuensi yang berbeda ke setiap orang.”

Kelompok ini berkolaborasi dengan Laboratorium Komunikasi Optik di Bahasa Inggris JPLyang tengah berupaya menggunakan frekuensi optik alih-alih gelombang frekuensi radio untuk berkomunikasi dengan misi luar angkasa karena hal ini akan memungkinkan kemampuan untuk mengirim lebih banyak knowledge pada frekuensi yang lebih tinggi. “Perangkat ini akan sangat cocok untuk apa yang mereka lakukan,” kata Sisler.

Makalah baru, “Metasurfaces ruang-waktu yang dapat disetel secara elektrik pada frekuensi optik,” muncul dalam jurnal edisi 24 Juli Nanoteknologi Alam.

Referensi: “Metasurfaces ruang-waktu yang dapat disetel secara elektrik pada frekuensi optik” oleh Jared Sisler, Prachi Thureja, Meir Y. Grajower, Ruzan Sokhoyan, Ivy Huang dan Harry A. Atwater, 24 Juli 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9

Penulis tambahan pada makalah ini meliputi Meir Y. Grajower, mantan rekan peneliti pascadoktoral di kelompok Atwater; Ruzan Sokhoyan, ilmuwan peneliti nanofotonik di Caltech; dan Ivy Huang, mantan mahasiswa Summer season Undergraduate Analysis Fellowship di kelompok Atwater. Pekerjaan ini didukung oleh Air Drive Workplace of Scientific Analysis Meta-Imaging MURI, DARPA EXTREME, Dewan Riset Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada, dan Meta Platforms, Inc.