Elektromagnetiska och optiska olinjära effekter utgör en viktig plattform inom ett brett spektrum av teknologier, inklusive hög övertonsgenerering, summa- och skillnadsfrekvensomvandlingar, självfokusering, optiska solitoner, och multifotonabsorption. När den är upplyst av hög ljusintensitet, materialegenskaperna modifieras beroende på de applicerade elektromagnetiska fältamplituderna, och den olinjära processen förstärks avsevärt under interaktionen mellan ljus och material, ger upphov till spektrala komponenter vid nya frekvenser. Även om enorma framsteg för icke-linjära manipulationer har uppnåtts de senaste åren, den totala effektiviteten av frekvensomvandlingen är fortfarande mycket låg.

Metamaterial, som vanligtvis utgörs av rumsligt fördelade periodiska eller icke-periodiska uppsättningar av subvåglängdsresonatorer, har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att ändra reaktionen på infallande elektromagnetiska vågor. Genom att optimera elementgeometrierna och deras rumsliga inriktningar, metamaterialen är lätta att skapa mycket anpassningsbara egenskaper som kan utnyttjas i en mängd olika applikationer som superupplöst bildbehandling, optisk cloaking, och nya antenner. De olinjära egenskaperna hos metamaterial har visat framväxande potentialer för frekvensomvandlingar på grund av de inducerade lokala fälten runt resonatorerna. Dock, omvandlingsförhållandet är inte tillfredsställande speciellt under exciteringen av små signaler.

I ett nytt papper publicerat i Beijing-baserade National Science Review , forskare vid State Key Laboratory of Millimeter Waves i Nanjing, Kina, National Mobile Communication Research Laboratory i Nanjing, Kina, och Photonics Initiative, Advanced Science Research Center i New York, USA, presentera de senaste framstegen inom den olinjära övertonsmanipulationen med en programmerbar digital kodningsmetayta för tidsdomän. De finner att metaytan med tidsvarierande reflektivitet kan reagera på excitationsbäraren olinjärt på ett starkt sätt, med den harmoniska intensiteten beroende av den digitala kodningssekvensen för reflektionsamplituden och fasen.

Dessa forskare sammanfattar detaljerna i teorin och designmetoden för metaytan, och den framtida tillämpningen av denna teknik.

Författarna skriver, "Inspirerad av metasytor för digital kodning i rymddomän, vi använder komplexa moduleringsstrategier för att skräddarsy våg-materia-interaktioner och frekvensspektrum samtidigt, där metaytans diskreta reflektionsfastillstånd styrs av den digitala kodningssekvensen. Vi visar att starka olinjära processer möjliggörs av den tidsmässiga moduleringen av infallande vågor på metaytan med noggranna kontroller av både amplitud- och fasfördelningar för alla övertoner."

Metaytan är sammansatt av periodiska kodningselement laddade med varaktordioder. "Driven av olika kombinationer av utspänningar från en fältprogrammerbar gate array (FPGA), vår metasurface kan implementera många funktioner genom att kontrollera tidsdomänens digitala kodningstillstånd, " de skriver.

"Som ett exempel på applikationer, vi utforskar implementeringen av ett nytt trådlöst kommunikationssystem för binär frekvensskiftnyckel (BFSK), vilket i hög grad förenklar de klassiska heterodyna arkitekturerna för trådlösa nätverkssystem. I det föreslagna BFSK-systemet, de två grundläggande bärvågsfrekvenserna syntetiseras direkt via metaytan, utan att använda komplicerade analog-digitalomvandlare och mikrovågsfilter, blandare, och förstärkare, uppvisar stora fördelar i termer av enkelhet och effektivitet, " lägger de till.

"Det föreslagna konceptet och metoden banar väg för förenklade och kompakta kommunikations- och radarsystem för ett brett frekvensområde, från akustisk till mikrovågor och optik, ", förutspår forskarna.

De beräknade spektrala intensiteterna för de utgående övertonerna under olika PM-modulationer. (a-b), 1-bitars PM-kodning 01010101... med längden på kodningssekvensen M=2 och reflektionsperioden T=1μs. (CD), 2-bitars PM-kodning 00-01-00-01-... med M=2 och T=1μs. (e-f), 2-bitars PM-kodning 00-01-10-11-... med M=4 och T=2μs. g-h, 2-bitars PM-kodning 11-10-01-00-... med M=4 och T=2μs.