Faisceau diélectrique artificiel

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13793 (2023) Citer cet article

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Nous concevons et fabriquons un prisme diélectrique artificiel capable de diriger un faisceau térahertz dans l'espace et d'étudier expérimentalement son comportement. Le milieu diélectrique artificiel est constitué d'un empilement de plaques métalliques uniformément espacées, équivalent électromagnétiquement à un réseau de guides d'ondes à plaques parallèles fonctionnant en tandem. A une fréquence de fonctionnement de 0,3 THz, on observe une déviation maximale du faisceau de 29°, limitée par la précision des espaceurs disponibles. La mise en charge par ressort des entretoises entre les plaques nous permet de balayer le faisceau de manière continue et dynamique sur une plage de 5°. Les cartes d'intensité de faisceau mesurées à l'entrée et à la sortie du dispositif révèlent une très bonne qualité de faisceau gaussien et un rendement énergétique estimé à 71 %. En tant qu'application possible dans le monde réel, nous intégrons le prisme dans le chemin d'une liaison de communication térahertz en espace libre et démontrons des performances intactes.

Les futurs concepts de communications et de détection sans fil impliquent de plus en plus la bande de fréquences térahertz (0,1 à 10 THz). Par exemple, les fréquences térahertz ou supérieures constituent un élément essentiel des communications de nouvelle génération (6G), dans lesquelles des bandes passantes d'environ 100 GHz deviennent essentielles pour prendre en charge les attentes en matière de débit de données de térabit par seconde1. Pour réaliser des systèmes sans fil térahertz pratiques, de nombreuses études de recherche ont abordé les défis de l'absorption des ondes, de la diffusion, du traitement du signal numérique, de la mise en réseau, de la sécurité, du contrôle d'accès aux médias, du développement d'émetteurs-récepteurs, et bien plus encore2,3. Un autre défi notable et fondamental est la perte de trajet en espace libre (FSPL). En raison de son échelle avec le carré de la fréquence, le FSPL devient nettement pire dans le régime térahertz que dans les bandes de fréquences inférieures. Cela a un impact considérable sur les systèmes de détection (par exemple radar) et de communication, car cela nécessite que les faisceaux térahertz soient très directifs pour atteindre des distances de propagation pratiquement significatives. Par conséquent, cela engendre de nouveaux défis liés au pointage du faisceau, à la gigue et à la turbulence. Le balayage (ou direction) de faisceau actif est la solution proposée, inspirant une myriade d'approches, notamment des réseaux multiéléments, des surfaces diffractives ou réfléchissantes reconfigurables et des structures dispersives4. Quelques exemples récents incluent un système optique complexe utilisant des miroirs5, deux basés sur des métasurfaces sophistiquées6,7, un basé sur une lentille de Luneburg8, un basé sur des réseaux multiéléments9, un basé sur un réseau de diffraction10 et un basé sur un prisme imprimé en 3D11,12. . Beaucoup d’entre eux fonctionnent admirablement, même s’ils peuvent souffrir d’un faible rendement, d’une mauvaise qualité de faisceau, d’une grande complexité ou d’une bande passante limitée, en particulier s’ils offrent un contrôle dynamique. Dans les applications futures telles que les communications sans fil de nouvelle génération, il sera important que les dispositifs de contrôle des ondes évitent soigneusement une mauvaise efficacité13, les anomalies de faisceau (par exemple le strabisme) et la refonte de la forme d'onde due à la perte et à la dispersion temporelle14.

Parmi les solutions impliquant des structures dispersives, les diélectriques artificiels (AD) deviennent très attractifs. Les diélectriques artificiels sont des milieux artificiels qui imitent les propriétés des milieux diélectriques naturels, voire manifestent des propriétés qui ne peuvent généralement pas apparaître dans la nature15. Par exemple, l'indice de réfraction, qui a généralement une valeur supérieure à l'unité, peut avoir une valeur inférieure à l'unité dans un AD. Des études récentes16,17 ont montré que les AD offrent de puissantes possibilités de contrôle des ondes térahertz, analogues aux métamatériaux, mais avec des avantages pratiques tels qu'une perte d'absorption considérablement réduite et une complexité de fabrication considérablement réduite. Ces propriétés se manifestent dans de nouvelles conceptions d’isolateurs térahertz et de séparateurs de faisceaux basés sur l’AD dont les spécifications rivalisent même avec les dispositifs à ondes optiques matures17.

En exploitant ce concept AD, nous concevons et fabriquons ici un prisme à balayage de faisceau dynamique pour la région térahertz et étudions expérimentalement son comportement. Comparé à la plupart des scanners à faisceau, notre dispositif AD est beaucoup plus simple, ce qui se traduit par une qualité de faisceau supérieure, une efficacité énergétique plus élevée et une faible dispersion temporelle. Nous pensons que ces travaux seront importants pour faire progresser les communications sans fil térahertz, l’imagerie et la télédétection. Dans le cas des communications sans fil, les ondes térahertz sont de plus en plus prêtes à être adoptées dans les liaisons point à point, telles que les applications de liaison terrestre18. Dans de tels scénarios, la capacité à diriger de manière optimale un faisceau émetteur vers un emplacement de récepteur est primordiale, surtout si le récepteur est mobile ou si le canal est affecté par la gigue.