Les effets non linéaires électromagnétiques et optiques constituent une plate-forme importante dans un large éventail de technologies, y compris la génération d'harmoniques élevées, conversions de fréquence somme et différence, auto-concentration, solitons optiques, et l'absorption multiphotonique. Lorsqu'il est éclairé par une intensité lumineuse élevée, les propriétés du matériau sont modifiées en fonction des amplitudes du champ électromagnétique appliqué, et le processus non linéaire est grandement amélioré lors de l'interaction entre la lumière et les matériaux, donnant naissance à des composantes spectrales à de nouvelles fréquences. Bien que d'énormes progrès pour les manipulations non linéaires aient été réalisés ces dernières années, l'efficacité globale de la conversion de fréquence reste encore très faible.

Métamatériaux, qui sont généralement constitués par un réseau périodique ou non périodique réparti dans l'espace de résonateurs à sous-longueur d'onde, ont été démontrés comme un outil puissant pour modifier les réponses des ondes électromagnétiques incidentes. En optimisant les géométries des éléments et leurs alignements spatiaux, les métamatériaux sont faciles à créer des propriétés hautement personnalisables qui peuvent être exploitées dans une grande variété d'applications comme l'imagerie à super-résolution, occultation optique, et de nouvelles antennes. Les caractéristiques non linéaires des métamatériaux ont montré des potentiels émergents pour les conversions de fréquence en raison des champs locaux induits autour des résonateurs. Cependant, le taux de conversion n'est pas satisfaisant surtout sous l'excitation de petits signaux.

Dans un nouvel article publié dans le journal basé à Pékin Revue scientifique nationale , scientifiques du State Key Laboratory of Millimeter Waves à Nanjing, Chine, le Laboratoire national de recherche en communication mobile à Nanjing, Chine, et l'Initiative photonique, Centre de recherche scientifique avancée à New York, NOUS, présentent les dernières avancées dans la manipulation harmonique non linéaire avec une métasurface de codage numérique programmable dans le domaine temporel. Ils constatent que la métasurface avec une réflectivité variable dans le temps peut répondre au porteur d'excitation de manière non linéaire de manière forte, avec l'intensité harmonique dépendant de la séquence de codage numérique de l'amplitude et de la phase de réflexion.

Ces scientifiques résument les détails de la théorie et de la méthode de conception de la métasurface, et l'application future de cette technologie.

Les auteurs écrivent, « Inspiré des métasurfaces de codage numérique dans le domaine spatial, nous utilisons des stratégies de modulation complexes pour adapter simultanément les interactions onde-matière et le spectre de fréquences, dans lequel les états de phase de réflexion discrets de la métasurface sont contrôlés par la séquence de codage numérique. Nous démontrons que de forts processus non linéaires sont activés par la modulation temporelle des ondes incidentes sur la métasurface avec des contrôles précis des distributions d'amplitude et de phase pour tous les harmoniques. »

La métasurface est composée d'éléments de codage périodiques chargés de diodes varactor. "Conduit par différentes combinaisons de tensions de sortie d'un réseau de portes programmable sur le terrain (FPGA), notre métasurface peut implémenter de nombreuses fonctions en contrôlant les états de codage numérique dans le domaine temporel, " ils écrivent.

"A titre d'exemple d'application, nous explorons la mise en œuvre d'un nouveau système de communication sans fil à modulation de fréquence binaire (BFSK), ce qui simplifie grandement les architectures hétérodynes classiques pour les systèmes de réseaux sans fil. Dans le système BFSK proposé, les deux fréquences porteuses de base sont synthétisées directement via la métasurface, sans utiliser de convertisseur analogique-numérique compliqué et de filtres hyperfréquences, mélangeurs, et amplificateurs, montrant de grands avantages en termes de simplicité et d'efficacité, " ajoutent-ils.

"Le concept et la méthode proposés ouvrent la voie à des systèmes de communication et de radar simplifiés et compacts pour une large gamme de fréquences, de l'acoustique aux micro-ondes et à l'optique, ", prédisent les scientifiques.

Les intensités spectrales calculées des harmoniques de sortie sous différentes modulations PM. (un B), Codage PM à 1 bit 01010101... avec la longueur de la séquence de codage M=2 et la période de réflexion T=1μs. (CD), Codage PM à 2 bits 00-01-00-01-... avec M=2 et T=1μs. (e-f), Codage PM 2 bits 00-01-10-11-... avec M=4 et T=2μs. g-h, Codage PM 2 bits 11-10-01-00-... avec M=4 et T=2μs.