Метаповерхности — это двумерные (2D), созданные на наноуровне поверхности, которые активно взаимодействуют с электромагнитными волнами и могут управлять светом с поразительной точностью. Эти ультратонкие слои могут быть использованы для разработки широкого спектра передовых технологий, включая оптические фотонные системы, датчики и системы связи.
Активные метаповерхности, электромагнитный отклик которых можно динамически настраивать в режиме реального времени, особенно перспективны для применения в реальных условиях. Они могут быть использованы для разработки реконфигурируемых антенн, высокочувствительных датчиков и других адаптивных систем. Эти метаповерхности также могут служить оптическими модуляторами — устройствами, которые регулируют интенсивность или фазу света и тем самым позволяют кодировать информацию в световых лучах.
Хотя инженеры представили различные оптические модуляторы на основе метаповерхностей за последние несколько лет, большинство разработанных устройств требуют для работы высоковольтных электрических сигналов. Это означает, что для заметного изменения оптического отклика метаповерхностей необходимо подавать на них сильное электрическое поле.
Исследователи из Токийского университета недавно представили новую гибридную метаповерхность, которая сочетает в себе кремниевые наноструктуры с органическим электрооптическим слоем, способным модулировать свет при очень низких напряжениях. Эта перспективная метаповерхность, представленная в статье, опубликованной в Nature Nanotechnology, может быть использована для разработки новых низкоэнергетических и высокоскоростных оптических технологий.
«Активные метаповерхности, включающие электрооптические материалы, позволяют создавать высокоскоростные оптические модуляторы свободного пространства, которые демонстрируют большие перспективы для широкого спектра применений, включая оптическую связь, сенсинг и вычисления», — пишут Го Сома, Кото Арию и их коллеги в своей статье.
Однако ограниченная длина взаимодействия света и вещества в метаповерхностях обычно требует высоких напряжений питания, превышающих десятки вольт, для достижения удовлетворительной модуляции. Исследователи представляют низковольтные, высокоскоростные оптические модуляторы свободного пространства на основе кремний-органических гибридных метаповерхностей с наноструктурами на основе димеризованных решёток.
Примечательно, что гибридная метаповерхность, разработанная Сомой, Арию и их коллегами, совместима с существующими процессами нанопроизводства комплементарных металл-оксид-полупроводниковых (КМОП) устройств. Это означает, что её можно будет легче комбинировать с существующими устройствами и использовать в реальных условиях. Метаповерхность эффективно ограничивает свет в тщательно спроектированных наноструктурах, что в конечном итоге повышает её модуляционные возможности.
В ходе первоначальных испытаний было обнаружено, что метаповерхность может модулировать свет на поразительных скоростях, требуя при этом низких напряжений для работы. Поэтому по сравнению с ранее разработанными оптическими модуляторами на основе метаповерхностей метаповерхность команды может значительно снизить энергопотребление.
«Используя резонансный режим с высоким Q, обычно падающий свет эффективно удерживается в кремниевой канавке размером менее микрона, заполненной органическим электрооптическим материалом», — пишут авторы. «В результате достигается высокоэффективная модуляция, обеспечивающая передачу данных со скоростью 50 Мбит/с и 1,6 Гбит/с при напряжении питания всего 0,2 В и 1 В соответственно. Эти модуляторы на основе метаповерхностей теперь могут работать на уровнях напряжения, совместимых с КМОП, что позволяет использовать активные метаповерхности в энергоэффективных высокоскоростных практических приложениях».
В будущем недавняя работа Сома, Арию и их коллег может способствовать дальнейшему развитию различных технологий, например, созданию новых высокоскоростных систем связи и датчиков. Другие исследовательские группы могут вдохновиться этим исследованием и изучить аналогичные стратегии наноинжиниринга для повышения энергоэффективности оптических модуляторов.