Synligt och infrarött ljus kan bära mer data än radiovågor, men har alltid varit begränsad till en fast, fiberoptisk kabel. Arbeta med Facebooks Connectivity Lab, ett forskarlag från Duke har nu gjort ett stort framsteg mot drömmen om att avskaffa fibern i fiberoptik.

Under arbetet med att skapa ett optiskt kommunikationssystem för fritt utrymme för trådlöst höghastighetsinternet, forskarna visar också att hastighets- och effektivitetsegenskaper som tidigare visats på små, en-enhets plasmoniska antenner kan också uppnås på större, enheter i centimeterskala.

Forskningen visas online den 11 februari i tidningen Optica .

2016, Forskare från Internet.orgs Connectivity Lab – ett dotterbolag till Facebook – skisserade en ny typ av ljusdetektor som potentiellt skulle kunna användas för optisk kommunikation i fritt utrymme. Traditionellt, trådbundna optiska fiberanslutningar kan vara mycket snabbare än trådlösa trådlösa anslutningar. Detta beror på att synliga och nära-infraröda ljusfrekvenser kan bära mycket mer information än radiovågor (WiFi, Blåtand, etc).

Men att använda dessa högre frekvenser i trådlösa enheter är svårt. Nuvarande inställningar använder antingen lysdioder eller lasrar riktade mot detektorer som kan omorientera sig själva för att optimera anslutningen. Det skulle vara mycket effektivare, dock, om en detektor kunde fånga ljus från olika håll samtidigt. Fångsten är att ökad storlek på en optisk mottagare också gör den långsammare.

Detta var också fallet för Connectivity Labs design. Ett sfäriskt knippe av fluorescerande fibrer fångade blått laserljus från vilken riktning som helst och återutsände grönt ljus som kunde kanaliseras på en liten mottagare. Medan prototypen kunde uppnå hastigheter på två gigabit per sekund, de flesta fiberoptiska internetleverantörer erbjuder upp till 10 Gb, och avancerade system kan driva in tusentals.

Letar du efter ett sätt att påskynda deras optiska kommunikationsdesigner i fritt utrymme, Connectivity Lab vände sig till Maiken Mikkelsen, James N. och Elizabeth H. Barton docent i elektro- och datateknik och fysik vid Duke. Under det senaste decenniet har Mikkelsen har varit en ledande forskare inom området plasmonik, som fångar ljus på ytan av små nanokuber för att öka en enhets hastighet och effektivitet när det gäller att överföra och absorbera ljus med mer än tusen gånger.

"Konnektivitetslaboratoriets prototyp begränsades av utsläppslängden för det fluorescerande färgämnet de använde, gör att den är ineffektiv och långsam, ", sa Mikkelsen. "De ville öka effektiviteten och kom över mitt arbete som visade ultrasnabba svarstider i fluorescerande system. Min forskning hade bara visat att dessa effektivitetsgrader var möjliga på enstaka, nanoskala system, så vi visste inte om den kunde skala upp till en detektor i centimeterskala."

Allt tidigare arbete, Mikkelsen förklarar, har varit principiella demonstrationer med en enda antenn. Dessa system involverar vanligtvis nanokuber av metall placerade tio till hundratals nanometer från varandra och placerade bara en handfull nanometer ovanför en metallfilm. Även om ett experiment kan använda tiotusentals nanokuber över ett stort område, forskning som visar dess potential för supersnabba egenskaper har historiskt sett bara en kub för mätning.

I den nya tidningen, Mikkelsen och Andrew Traverso, en postdoktor som arbetar i sitt laboratorium, gav en mer ändamålsenlig och optimerad design till en plasmonisk enhet med stor yta. Silver nanokuber bara 60 nanometer breda är placerade cirka 200 nanometer från varandra, täcker 17% av enhetens yta. Dessa nanokuber sitter bara sju nanometer ovanför ett tunt lager av silver, åtskilda av en beläggning av polymer som är fullpackad med fyra lager fluorescerande färgämne.

Nanokuberna interagerar med silverbasen på ett sätt som förbättrar den fotoniska förmågan hos det fluorescerande färgämnet, orsakar en 910-faldig ökning av den totala fluorescensen och en 133-faldig ökning av emissionshastigheten. Den supersnabba antennen kan också fånga ljus från ett 120-graders synfält och omvandla det till en riktad källa med en rekordhög total verkningsgrad på 30 %.

"Plasmoniska effekter har alltid varit kända för att förlora mycket effektivitet över ett stort område, ", sa Traverso. "Men vi har visat att du kan ta attraktiva ultrasnabba emissionsegenskaper hos en nanoskala enhet och återskapa den i en makroskopisk skala. Och vår metod är mycket lätt att överföra till tillverkningsanläggningar. Vi kan skapa dessa storskaliga plasmoniska metasytor på under en timme med pipetter och petriskålar, bara enkla vätskeavsättningar på metallfilmer."

Den övergripande effekten av demonstrationen är förmågan att fånga ljus från ett stort synfält och kanalisera det till en smal kon utan att förlora någon hastighet. För att gå vidare med denna teknik, forskare skulle behöva sätta ihop flera plasmoniska enheter för att täcka ett 360-graders synfält och återigen inkludera en separat invändig detektor. Medan det finns arbete att göra, forskarna ser en livskraftig väg framåt.

"I denna demonstration, vår struktur fungerar för att effektivt vidarebefordra fotonerna från en vid vinkel till en smal vinkel utan att förlora hastighet, "sa Mikkelsen." Vi har inte integrerat en vanlig snabb fotodetektor som Connectivity Lab gjorde i sitt originalpapper än. Men vi löste den stora flaskhalsen i designen och de framtida applikationerna är väldigt spännande!"