人工誘電体ビーム

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13793 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

私たちは、宇宙空間でテラヘルツビームを誘導できる人工誘電体プリズムを設計・作製し、その挙動を実験的に調査しています。 人工誘電体媒体は、均一な間隔で配置された金属板のスタックで構成されており、電磁的にはタンデムに動作する平行平板導波路のアレイと等価です。 0.3 THz の動作周波数では、利用可能なスペーサーの精度によって制限される最大 29° のビーム偏向が観察されます。 プレート間のスペーサーにバネ荷重をかけることで、5°の範囲にわたって連続的かつ動的にビームをスキャンできます。 デバイスの入力と出力で測定されたビーム強度マップは、非常に良好なガウス ビーム品質と推定電力効率 71% を明らかにしています。 現実世界への応用の可能性として、自由空間テラヘルツ通信リンクの経路にプリズムを統合し、損なわれない性能を実証します。

無線通信とセンシングの将来の概念には、テラヘルツ周波数帯域 (0.1 ～ 10 THz) がますます関与します。 たとえば、テラヘルツ以上の周波数は次世代 (6G) 通信の必須要素であり、テラビット/秒のデータ レートの期待をサポートするには、〜 100 GHz の帯域幅が重要になります1。 実用的なテラヘルツ無線システムを実現するために、波の吸収、散乱、デジタル信号処理、ネットワーキング、セキュリティ、メディアアクセス制御、トランシーバー開発などの課題に数多くの研究が取り組んできました2、3。 もう 1 つの注目すべき根本的な課題は、自由空間パス損失 (FSPL) です。 FSPL は周波数の 2 乗でスケーリングされるため、テラヘルツ領域では低周波数帯域よりも明らかに悪化します。 実質的に大きな伝播距離を達成するにはテラヘルツビームの指向性が高い必要があるため、これはセンシングシステム（レーダーなど）と通信システムの両方に大きな影響を与えます。 その結果、ビームポインティング、ジッター、乱流などの新たな課題が生じます。 アクティブ ビーム スキャニング (またはステアリング) が提案されたソリューションであり、フェーズド アレイ、再構成可能な回折または反射面、分散構造を含む無数のアプローチを刺激します4。 最近の例としては、ミラーを利用した複雑な光学システム 5、2 つは高度なメタサーフェスに基づいたもの 6,7、1 つはリューネブルグ レンズに基づいたもの 8、1 つはフェーズド アレイに基づいたもの 9、1 つは回折格子に基づいたもの 10、1 つは 3D プリントされたプリズムに基づいたものです 11,12 。 これらの多くは、特に動的制御を提供する場合、効率の低さ、ビーム品質の低下、複雑さの高さ、または帯域幅の制限に悩まされる可能性がありますが、素晴らしいパフォーマンスを発揮します。 次世代無線通信などの将来のアプリケーションでは、電波制御デバイスが効率の低下13、ビームの異常（斜視など）、損失や時間分散による波形の変形14を注意深く回避することが重要になります。

分散構造を含むソリューションの中で、人工誘電体 (AD) は非常に魅力的になります。 人工誘電体は、自然界に存在する誘電体媒体の特性を模倣した、あるいは自然界では通常現れない特性を示す人工の媒体です15。 たとえば、通常は 1 より大きい値を持つ屈折率が、AD では 1 より小さい値になる可能性があります。 最近の研究 16,17 は、AD がメタマテリアルに似たテラヘルツ波制御の強力な手段を提供するが、吸収損失の大幅な削減や製造の複雑さの大幅な削減といった実用的な利点を備えていることを示しています。 これらの特性は、成熟した光波デバイスにも匹敵する仕様を持つ新しい AD ベースのテラヘルツ アイソレータとビームスプリッタの設計に現れています 17。

このADの概念を利用して、ここではテラヘルツ領域の動的ビーム走査プリズムを設計・製作し、その挙動を実験的に調査します。 ほとんどのビームスキャナーと比較して、当社の AD デバイスははるかにシンプルであるため、優れたビーム品質、より高い電力効率、および低い時間分散を実現します。 私たちは、この研究がテラヘルツ無線通信、イメージング、リモートセンシングの進歩にとって重要になると考えています。 無線通信の場合、テラヘルツ波はバックホール アプリケーションなどのポイントツーポイント リンクでの採用に向けてますます準備が整っています18。 このようなシナリオでは、特に受信機がモバイルである場合やチャネルがジッターの影響を受ける場合には、送信機のビームを受信機の位置に最適に誘導する機能が最も重要です。