Гибридная метаповерхность модулирует свет при низких напряжениях для энергоэффективной оптики

Схематическое изображение нашего модулятора свободного пространства SOH. Интенсивность отраженного света ∣E_р(т)∣² можно модулировать на высокой скорости с помощью внешнего напряжения V_доб.(т). Кредит: Природные нанотехнологии (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02000-4

Метаповерхности — это двумерные (2D) наноинженерные поверхности, которые сильно взаимодействуют с электромагнитными волнами и могут управлять светом с поразительной точностью. Эти ультратонкие слои можно использовать для разработки широкого спектра передовых технологий, включая оптические фотонные, сенсорные и коммуникационные системы.

Активные метаповерхности, электромагнитный отклик которых можно динамически настраивать. в реальном времениособенно перспективны для передовых реальных приложений, в частности 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, таким образом, позволяют кодировать информацию в световые лучи.

Хотя инженеры внедрили различные метаповерхностьоптических модуляторов, разработанных за последние несколько лет, большинство устройств, разработанных до сих пор, требуют высоковольтный электрические сигналы для работы. Это означает, что для заметного изменения оптического отклика метаповерхностей, на которых они основаны, пользователям необходимо приложить к ним сильное электрическое поле.

Исследователи из Токийского университета недавно представили новую гибридную метаповерхность, которая сочетает в себе кремниевые наноструктуры с органическим электрооптическим слоем, который может модулировать свет при очень низких напряжениях. Эта многообещающая метаповерхность, представленная в статье опубликовано в Природные нанотехнологиимогут быть использованы для разработки новых маломощный и высокоскоростные оптические технологии.

«Активные метаповерхности, включающие электрооптические материалы, позволяют создавать высокоскоростные оптические модуляторы в свободном пространстве, которые демонстрируют большие перспективы для широкого спектра приложений, включая оптическую связь, зондирование и вычисления», — написали Го Сома, Кото Ариу и их коллеги в своей статье.

«Однако ограниченная длина взаимодействия света и материи в метаповерхностях обычно требует высоких возбуждающих напряжений, превышающих десятки вольт, для достижения удовлетворительной модуляции. Мы представляем низковольтные, высокоскоростные оптические модуляторы в свободном пространстве на основе кремниево-органических гибридных метаповерхностей с наноструктурами на основе димеризованных решеток».

Примечательно, что гибридная метаповерхность, разработанная Сомой, Ариу и их коллегами, совместима с существующими процессами нанопроизводства дополнительных устройств металл-оксид-полупроводник (КМОП), а это означает, что ее может быть проще объединить с существующими устройствами и развернуть в реальных условиях. Метаповерхность эффективно удерживает свет в тщательно спроектированных наноструктурах, что в конечном итоге расширяет возможности ее модуляции.

В ходе первоначальных испытаний было обнаружено, что метаповерхность модулирует свет с поразительной скоростью, при этом для работы требуется низкое напряжение. Таким образом, по сравнению с ранее разработанными оптическими модуляторами на основе метаповерхности, метаповерхность может значительно снизить энергопотребление.

«Используя резонансный режим с высокой добротностью, обычно падающий свет «Эффективно захватывается внутри области кремниевых щелей субмикрометрового масштаба, заключённой в органический электрооптический материал», — пишут авторы. «Следовательно, получается высокоэффективная модуляция, позволяющая передавать данные со скоростью 50 Мбит/с и 1,6 Гбит/с с управляющим напряжением всего 0,2 В и 1 В соответственно. Эти модуляторы метаповерхности теперь могут работать на уровнях напряжения, совместимых с КМОП, что позволяет осуществлять энергоэффективное и высокоскоростное практическое применение активных метаповерхностей».

В будущем недавняя работа Сомы, Ариу и их сотрудников может способствовать дальнейшему развитию различных технологий, например, позволяя разрабатывать новые высокоскоростные системы связи и зондирования. Другие исследовательские группы могли бы почерпнуть вдохновение из этого исследования и изучить аналогичные стратегии наноинженерии для повышения энергоэффективности оптических модуляторов.

© 2025 Сеть Science X