Elektromagnetische en optische niet-lineaire effecten bieden een belangrijk platform in een breed spectrum van technologieën, inclusief hoge harmonische generatie, som en verschil frequentie conversies, zelfgericht, optische solitonen, en multi-foton absorptie. Wanneer verlicht door een hoge lichtintensiteit, de materiaaleigenschappen worden gewijzigd afhankelijk van de toegepaste elektromagnetische veldamplitudes, en het niet-lineaire proces wordt sterk verbeterd tijdens de interactie tussen licht en materialen, wat aanleiding geeft tot spectrale componenten bij nieuwe frequenties. Hoewel er de afgelopen jaren enorme vooruitgang is geboekt op het gebied van niet-lineaire manipulaties, het totale rendement van de frequentieomzetting blijft nog steeds erg laag.

Metamaterialen, die gewoonlijk worden gevormd door ruimtelijk verdeelde periodieke of niet-periodieke reeks subgolflengteresonatoren, zijn aangetoond als een krachtig hulpmiddel om de reacties van invallende elektromagnetische golven te veranderen. Door de elementgeometrieën en hun ruimtelijke uitlijning te optimaliseren, de metamaterialen zijn gemakkelijk om zeer aanpasbare eigenschappen te creëren die kunnen worden benut in een breed scala aan toepassingen zoals beeldvorming met superresolutie, optische verhulling, en nieuwe antennes. De niet-lineaire kenmerken van metamaterialen hebben een opkomend potentieel voor frequentieconversies laten zien vanwege de geïnduceerde lokale velden rond de resonatoren. Echter, de conversieverhouding is niet bevredigend, vooral onder de excitatie van kleine signalen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het in Peking gevestigde Nationale wetenschappelijke recensie , wetenschappers van het State Key Laboratory of Millimeter Waves in Nanjing, China, het National Mobile Communication Research Laboratory in Nanjing, China, en het fotonica-initiatief, Geavanceerd wetenschappelijk onderzoekscentrum in New York, ONS, presenteren de nieuwste ontwikkelingen in de niet-lineaire harmonische manipulatie met een programmeerbaar tijdsdomein digitaal coderend meta-oppervlak. Ze vinden dat het meta-oppervlak met in de tijd variërende reflectiviteit op een sterke manier niet-lineair op de excitatiedrager kan reageren, waarbij de harmonische intensiteit afhankelijk is van de digitale codeervolgorde van de reflectieamplitude en fase.

Deze wetenschappers vatten de details van de theorie en ontwerpmethode van het metaoppervlak samen, en de toekomstige toepassing van deze technologie.

De auteurs schrijven, "Geïnspireerd door meta-oppervlakken van digitale codering in het ruimtedomein, we gebruiken complexe modulatiestrategieën om de golf-materie-interacties en het frequentiespectrum tegelijkertijd aan te passen, waarin de discrete reflectiefasetoestanden van het meta-oppervlak worden bestuurd door de digitale coderingsreeks. We demonstreren dat sterke niet-lineaire processen mogelijk worden gemaakt door de temporele modulatie van invallende golven op het meta-oppervlak met nauwkeurige controles van zowel amplitude- als faseverdelingen voor alle harmonischen."

Het meta-oppervlak is samengesteld uit periodieke coderingselementen geladen met varactordiodes. "Gedreven door verschillende combinaties van uitgangsspanningen van een veldprogrammeerbare poortarray (FPGA), onze metasurface kan veel functies implementeren door de digitale coderingsstatussen van het tijddomein te regelen, " zij schrijven.

"Als voorbeeld van toepassingen, we onderzoeken de implementatie van een nieuw draadloos communicatiesysteem met binaire frequency-shift keying (BFSK), wat de klassieke heterodyne architecturen voor draadloze netwerksystemen sterk vereenvoudigt. In het voorgestelde BFSK-systeem, de twee basisdraaggolffrequenties worden direct via het meta-oppervlak gesynthetiseerd, zonder ingewikkelde analoog-digitaalomzetter en microgolffilters te gebruiken, mixers, en versterkers, met grote voordelen op het gebied van eenvoud en efficiëntie, " voegen ze eraan toe.

"Het voorgestelde concept en de voorgestelde methode effenen de weg voor vereenvoudigde en compacte communicatie- en radarsystemen voor een breed frequentiebereik, van akoestiek tot microgolven en optica, ' voorspellen de wetenschappers.

De berekende spectrale intensiteiten van de uitgangsharmonischen onder verschillende PM-modulaties. (a-b), 1-bit PM-codering 01010101... met de lengte van de codeerreeks M=2 en de reflectieperiode T=1μs. (CD), 2-bit PM-codering 00-01-00-01-... met M=2 en T=1μs. (e-f), 2-bit PM-codering 00-01-10-11-... met M=4 en T=2μs. g-h, 2-bit PM-codering 11-10-01-00-... met M=4 en T=2μs.