Fotoniske hyperkrystaller kaster stærkere lys

Kilder, der integrerer to kunstige begreber for optisk materiale, kan drive ultrahurtig "Li-Fi" -kommunikation.

I mange applikationer, Li-Fi optiske netværk via luften giver potentielt store fordele i forhold til Wi-Fi og andre radiofrekvenssystemer. Li-Fi-net kan fungere ved ekstremt høje hastigheder. De kan udnytte et ekstremt bredt spektrum af frekvenser. De undgår de interferensproblemer, der plager radiofrekvenssystemer, som især er problematiske i miljøer med høj sikkerhed, såsom fly cockpits og atomkraftværker. De er mindre åbne for hackere. Og selvom deres rækkevidde er relativt begrænset, de har ikke brug for synsfeltforbindelser for at fungere, sagde Evgenii Narimanov, en professor i el- og computerteknik på Purdue University.

Dagens Li-Fi-net kan ikke fuldt ud opnå alle disse potentielle fordele, fordi de mangler passende lyskilder, han sagde.

Men designs, der integrerer to optiske materialekoncepter i "fotoniske hyperkrystaller", kan fylde dette hul.

Narimanov foreslog først dette koncept i 2014. Denne måned, han og kolleger ved City College i New York rapporterede demonstrationer af fotoniske hyperkrystaller med stærkt øgede lysemissionshastigheder og intensiteter i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

Fotoniske hyperkrystaller kombinerer egenskaberne af metamaterialer og fotoniske krystaller, både "kunstige" optiske materialer med egenskaber, der normalt ikke findes i naturen, Sagde Narimanov.

Metamaterialer er skabt af kunstige byggesten, der er meget mindre end lysets bølgelængde, mens i fotoniske krystaller størrelsen på "enhedscellen" er sammenlignelig med denne bølgelængde. Selvom disse to typer kompositmaterialer generelt viser meget forskellige egenskaber, de fotoniske hyperkrystaller kombinerer dem alle inden for samme struktur.

Fotoniske hyperkrystaller er baseret på en type kaldet hyperbolske metamaterialer, som kan bygges med skiftevis lag af metal og dielektriske materialer - hvor den elektriske strøm kun kan bevæge sig langs metallagene.

"Generelt, for lys, metaller og dielektrikum er fundamentalt forskellige:lys kan rejse i dielektrik, men reflekteres tilbage fra metaller, "Sagde Narimanov." Men et hyperbolsk metamateriale opfører sig som metal langs lagene og som et dielektrikum i retningen vinkelret på lagene, på samme tid. For lys, hyperbolske medier er, derfor, materiens tredje ejendom, helt anderledes end de sædvanlige metaller og dielektrikum. "

Blandt de interessante egenskaber, som denne struktur producerer, metamaterialet rummer et stort antal fotoniske tilstande, muliggør spontan lysemission ved ekstremt høje hastigheder.

"For en lyskilde, problemet er, at dette lys i det hyperbolske metamateriale ikke kan komme ud, sagde Narimanov.

Indtast fotoniske krystaller - periodiske nanostrukturer, der kan manipulere optisk interferens for at optimere lystransmission.

I de integrerede fotoniske hyperkrystaller præsenteret i PNAS -papiret, det hyperboliske metamateriale består af skiftevis lag af sølv (metallet) og aluminiumoxid (dielektrikum). Sekskantede arrays af huller, der er fræset i lagene, skaber den fotoniske krystal. I designet, det synlige lys udsendes af kvanteprikker (halvleder -nanopartikler, der kan udsende lys) indlejret i et af de lag, der danner det hyperboliske metamateriale.

Resultatet:ekstremt høje niveauer af kontrol og forbedring af det udsendte lys.

"Disse fotoniske hyperkrystaller blev fremstillet ved City University of New Yorks Advanced Science Research Center ved hjælp af standard nano- og mikrofabrikationsteknikker såsom tyndfilmfordampning og fokuseret ionstrålefræsning, sagde Tal Galfsky, en CCNY -kandidatstuderende, der er hovedforfatter på PNAS -papiret. "Disse teknikker er skalerbare med moderne industrielle muligheder."

Vinod Menon, CCNY professor i fysik, er seniorforfatter på papiret, og CCNY -kandidatstuderende Jie Gu bidrog også til arbejdet.

Arbejdet rapporteret i PNAS demonstrerer, at "på et grundlæggende plan, problemet med at designe fotoniske hyperkrystaller er blevet løst, sagde Narimanov.

Han advarer, imidlertid, at betydelige tekniske udfordringer skal overvindes, før disse enheder kan kommercialiseres. Blandt disse barrierer er demonstrationsenhederne pumpes optisk af en laser, men kommercielle versioner skal drives elektrisk og inkorporere enten halvleder eller organiske lysdioder, han sagde.

Når de modnes, fotoniske hyperkrystaller kan også fylde mange andre krævende roller inden for ultrahurtig optoelektronik. En af de mest lovende forskningsveje, Narimanov foreslog, er at skabe mere effektive versioner af enkelt-foton-kanoner, der anvendes til behandling af kvanteoplysninger.