Opfanger optisk lys med fri plads til højhastigheds-Wi-Fi

Synligt og infrarødt lys kan bære flere data end radiobølger, men har altid været begrænset til en fastkablet, fiberoptisk kabel. Arbejder med Facebooks Connectivity Lab, et forskerhold fra Duke har nu gjort et stort fremskridt i retning af drømmen om at droppe fiberen i fiberoptik.

Mens du arbejder på at skabe et optisk kommunikationssystem med fri plads til trådløst højhastighedsinternet, forskerne viser også, at hastigheds- og effektivitetsegenskaber tidligere er demonstreret på små, enkelt-enheds plasmoniske antenner kan også opnås på større, enheder i centimeter-skala.

Forskningen vises online 11. februar i tidsskriftet Optica .

I 2016 forskere fra Internet.org's Connectivity Lab - et datterselskab af Facebook - skitserede en ny type lysdetektor, der potentielt kunne bruges til optisk kommunikation i frirum. Traditionelt, fastkablede optiske fiberforbindelser kan være meget hurtigere end trådløse radiobølgeforbindelser. Dette skyldes, at synlige og nær-infrarøde lysfrekvenser kan bære meget mere information end radiobølger (WiFi, Bluetooth, etc).

Men det er svært at bruge disse højere frekvenser i trådløse enheder. Nuværende opsætninger bruger enten LED'er eller lasere rettet mod detektorer, der kan omorientere sig selv for at optimere forbindelsen. Det ville være meget mere effektivt, imidlertid, hvis en detektor kunne fange lys fra forskellige retninger på én gang. Fangsten er, at forøgelse af størrelsen af ​​en optisk modtager også gør den langsommere.

Dette var også tilfældet for Connectivity Labs design. Et sfærisk bundt af fluorescerende fibre fangede blåt laserlys fra enhver retning og genudsendte grønt lys, der kunne ledes over på en lille modtager. Mens prototypen var i stand til at opnå hastigheder på to gigabit per sekund, de fleste fiberoptiske internetudbydere tilbyder op til 10 Gb, og avancerede systemer kan skubbe i tusindvis.

På udkig efter en måde at fremskynde deres frirum optiske kommunikationsdesign, Connectivity Lab henvendte sig til Maiken Mikkelsen, James N. og Elizabeth H. Barton lektor i elektro- og computerteknik og fysik ved Duke. I løbet af det seneste årti, Mikkelsen har været en førende forsker inden for plasmonik, som fanger lys på overfladen af ​​små nanokuber for at øge en enheds hastighed og effektivitet til at transmittere og absorbere lys mere end tusind gange.

"Connektivitetslaboratoriets prototype var begrænset af emissionslevetiden for det fluorescerende farvestof, de brugte, får det til at være ineffektivt og langsomt, " sagde Mikkelsen. "De ville øge effektiviteten og stødte på mit arbejde, der viste ultrahurtige responstider i fluorescerende systemer. Min forskning havde kun bevist, at disse effektivitetsgrader var mulige på enkelt, nanoskala systemer, så vi vidste ikke, om den kunne skalere op til en detektor i centimeterskala."

Alt tidligere arbejde, Mikkelsen forklarer, har været proof-of-princip demonstrationer med en enkelt antenne. Disse systemer involverer typisk nanokuber af metal, der er placeret med mellem 10 og 100 nanometer fra hinanden og placeret kun en håndfuld nanometer over en metalfilm. Mens et eksperiment kan bruge titusindvis af nanokuber over et stort område, forskning, der viser dets potentiale for superhurtige egenskaber, har historisk set kun én terning til måling.

I det nye blad, Mikkelsen og Andrew Traverso, en postdoc-forsker, der arbejder i hendes laboratorium, bragte et mere målrettet og optimeret design til en plasmonisk enhed med stort område. Sølv nanokuber, der kun er 60 nanometer brede, er placeret omkring 200 nanometer fra hinanden, dækker 17 % af enhedens overflade. Disse nanokuber sidder kun syv nanometer over et tyndt lag sølv, adskilt af en belægning af polymer, der er propfyldt med fire lag fluorescerende farvestof.

Nanokuberne interagerer med sølvbasen på en måde, der forbedrer det fluorescerende farvestofs fotoniske evner, forårsager en 910-fold stigning i den samlede fluorescens og en 133-fold emissionshastighedsforøgelse. Den superhurtige antenne kan også fange lys fra et 120-graders synsfelt og konvertere det til en retningsbestemt kilde med en rekordhøj samlet effektivitet på 30 %.

"Plasmoniske effekter har altid været kendt for at miste en masse effektivitet over et stort område, " sagde Traverso. "Men vi har vist, at du kan tage attraktive ultrahurtige emissionsfunktioner fra en enhed i nanoskala og genskabe den på en makroskopisk skala. Og vores metode er meget let at overføre til fabrikationsfaciliteter. Vi kan skabe disse storskala plasmoniske metaoverflader på under en time med pipetter og petriskåle, blot simple væskeaflejringer på metalfilm."

Den overordnede effekt af demonstrationen er evnen til at fange lys fra et stort synsfelt og tragte det ind i en smal kegle uden at miste nogen hastighed. For at komme videre med denne teknologi, forskere ville være nødt til at sætte flere plasmoniske enheder sammen for at dække et 360-graders synsfelt og igen inkludere en separat indvendig detektor. Mens der er arbejde at gøre, forskerne ser en farbar vej frem.

"I denne demonstration, vores struktur fungerer til effektivt at videresende fotonerne fra en vid vinkel til en snæver vinkel uden at miste hastighed, " sagde Mikkelsen. "Vi har endnu ikke integreret en almindelig hurtig fotodetektor, som Connectivity Lab gjorde i deres originale papir. Men vi løste den store flaskehals i designet, og de fremtidige applikationer er meget spændende!"