新しい研究：次世代ワイヤレス通信向け光を制御するナノスケールデバイス発見

Tokyoカルテックの技術者たちは新たなメタサーフェスデバイスを開発しました。この小型デバイスは、光の周波数を制御し変更することができ、現在のWi-Fiよりも速く、より高帯域幅の無線通信チャンネルの実現につながる可能性があります。

メタ表面は、光を操作するために設計された極小のシートです。これらの装置は、異なる周波数で複数のチャンネルを生成するために光を指向させることができます。この新しい技術は、電気的に調整可能なナノスケールのアンテナを使用しています。高データレートの通信や宇宙ミッションなどへの応用が期待されています。

Wi-Fiは電波を利用しているため、帯域幅に制限があります。それに対して、光の周波数ははるかに広い帯域幅を提供します。しかし、従来の手法では、この高周波の光をうまく扱うことが困難です。カルテックの装置はこの問題を解決し、通信に使用されるのと同じ1,530ナノメートルの光周波数で効果的に動作します。

カメラのレンズは通常、大きくて重いです。一方、メタサーフェスは薄く、非常に小さなアンテナで構成されています。これらのアンテナは、光を屈折させたり反射させたりするなど、光の挙動を変化させることができます。

以前のメタサーフェス装置は、製作後の変更ができませんでした。しかし、新しい装置はアンテナに異なる電圧を加えることで調整が可能であり、より柔軟かつ適応性があります。

その装置は、アンテナの下に設けられた酸化インジウムスズの層を用いて柔軟性を持たせています。この層の電子密度は電圧の調整によって変化し、各アンテナの屈折率が変わります。結果として、装置は様々な角度と周波数で反射光をリアルタイムで制御することができます。

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この技術は、一つのレーザーで複数の新しい周波数を生成できるようにします。これらの新しい周波数は迅速な通信に利用可能です。光の方向と周波数を制御する能力は、このメタ表面の「時空」機能と呼ばれています。

メタサーフェスは多くの興味深い用途があります。たとえば、LiDARの3Dイメージングを向上させたり、カフェのような混雑した場所での無線通信の品質を高めたりすることが可能です。また、宇宙ミッション中に大量のデータを送信する際にも役立つかもしれません。これは、光がラジオ波よりも多くのデータを運ぶことができるためです。

アトウォーターの研究グループに所属する大学院生のプラチ・トゥレジャとジャレッド・シスラーを含む研究チームは、その成果を『Nature Nanotechnology』に発表しました。この研究は、アメリカ空軍科学研究所やDARPAなどの組織からの助成金によって支えられました。

主な目標は、ユニバーサルメタサーフェスを作ることです。この装置は、複数の光学チャネルを生成し、それぞれが異なるデータを運び、異なる方向に情報を送信します。これが実現すれば、ワイヤレス通信の利用方法を変える可能性があります。

JPLのような機関も私たちと協力しています。彼らは宇宙ミッションでの利用を視野に入れ、光学周波数の技術の有用性を示しています。

このメタサーフェスに関する最新の進展は、ワイヤレス通信とデータ転送において有望な未来を示しています。