Feixe dielétrico artificial

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13793 (2023) Citar este artigo

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Projetamos e fabricamos um prisma dielétrico artificial que pode direcionar um feixe de terahertz no espaço e investigar experimentalmente seu comportamento. O meio dielétrico artificial consiste em uma pilha de placas metálicas uniformemente espaçadas, eletromagneticamente equivalente a um conjunto de guias de ondas de placas paralelas operando em conjunto. A uma frequência de operação de 0,3 THz, observamos uma deflexão máxima do feixe de 29°, limitada pela precisão dos espaçadores disponíveis. A carga de mola nos espaçadores entre as placas nos permite varrer o feixe de forma contínua e dinâmica em um intervalo de 5°. Os mapas de intensidade do feixe medidos na entrada e na saída do dispositivo revelam uma qualidade de feixe gaussiana muito boa e uma eficiência energética estimada de 71%. Como uma possível aplicação no mundo real, integramos o prisma no caminho de um link de comunicação terahertz em espaço livre e demonstramos desempenho intacto.

Os conceitos futuros de comunicação e detecção sem fio envolvem cada vez mais a banda de frequência terahertz (0,1–10 THz). Por exemplo, terahertz ou frequências superiores são um elemento essencial das comunicações da próxima geração (6G), em que larguras de banda de ~ 100 GHz tornam-se críticas para suportar as expectativas de taxa de dados de terabit por segundo1. Para alcançar sistemas sem fio terahertz práticos, numerosos estudos de pesquisa abordaram os desafios de absorção de ondas, espalhamento, processamento de sinais digitais, redes, segurança, controle de acesso à mídia, desenvolvimento de transceptores e muito mais2,3. Outro desafio notável e fundamental é a perda de caminho de espaço livre (FSPL). Devido à sua escala com o quadrado da frequência, o FSPL torna-se nitidamente pior no regime terahertz do que nas bandas de frequência mais baixas. Isto tem um grande impacto nos sistemas de detecção (por exemplo, radar) e de comunicação, uma vez que exige que os feixes de terahertz sejam altamente diretivos para atingir distâncias de propagação praticamente significativas. Conseqüentemente, isso gera novos desafios envolvendo direcionamento de feixe, instabilidade e turbulência. A varredura ativa de feixe (ou direção) é a solução oferecida, inspirando inúmeras abordagens, incluindo phased arrays, superfícies difrativas ou reflexivas reconfiguráveis ​​e estruturas dispersivas4. Alguns exemplos recentes incluem um sistema óptico complexo utilizando espelhos5, dois baseados em metassuperfícies sofisticadas6,7, um baseado em lentes Luneburg8, um baseado em phased arrays9, um baseado em uma rede de difração10 e um baseado em um prisma impresso em 3D11,12 . Muitos deles têm um desempenho admirável, embora possam sofrer de baixa eficiência, baixa qualidade de feixe, alta complexidade ou largura de banda limitada, especialmente se oferecerem controle dinâmico. Em aplicações futuras, como comunicações sem fio de próxima geração, será importante que os dispositivos de controle de ondas evitem cuidadosamente a baixa eficiência13, anomalias de feixe (por exemplo, estrabismo) e remodelagem da forma de onda devido à perda e dispersão temporal14.

Dentre as soluções que envolvem estruturas dispersivas, os dielétricos artificiais (ADs) tornam-se muito atrativos. Os dielétricos artificiais são meios artificiais que imitam as propriedades dos meios dielétricos que ocorrem naturalmente, ou mesmo manifestam propriedades que geralmente não podem aparecer na natureza . Por exemplo, o índice de refração, que geralmente tem valor maior que a unidade, pode ter valor menor que a unidade em um AD. Estudos recentes mostraram que os ADs fornecem caminhos poderosos para o controle de ondas terahertz, análogos aos metamateriais, mas com vantagens práticas, como perdas de absorção bastante reduzidas e complexidade de fabricação significativamente reduzida. Essas propriedades se manifestam em novos projetos de isoladores terahertz e divisores de feixe baseados em AD, cujas especificações rivalizam até mesmo com dispositivos de ondas ópticas maduros .

Explorando este conceito de AD, aqui projetamos e fabricamos um prisma dinâmico de varredura de feixe para a região de terahertz e investigamos experimentalmente seu comportamento. Comparado à maioria dos scanners de feixe, nosso dispositivo AD é muito mais simples, resultando em qualidade de feixe superior, maior eficiência energética e baixa dispersão temporal. Prevemos que este trabalho será importante para o avanço das comunicações sem fio terahertz, imagens e sensoriamento remoto. No caso das comunicações sem fio, as ondas terahertz estão cada vez mais preparadas para adoção em links ponto a ponto, como aplicações de backhaul18. Em tais cenários, a capacidade de direcionar de forma ideal um feixe de transmissor para um local de receptor é fundamental, especialmente se o receptor for móvel ou o canal for afetado por jitter.