在光纤中抛弃光纤：捕获用于高速WiFi的自由空间光

新型无光纤WiFi天线的特写图。银纳米立方体在银基上方仅几纳米的距离，荧光染料夹在中间。纳米立方体相对于基底的物理间距和尺寸极大地增强了荧光染料的光子特性。

以前限于纳米尺度现象的等离子振子速度增强在宏观装置上得以复制。

可见光和红外光比无线电波可以承载更多的数据，但始终仅限于硬接线的光缆。杜克大学的研究小组与Facebook的连通性实验室合作，现已朝着将光纤抛弃在光纤中的梦想取得了重大进展。

在致力于为高速无线互联网创建自由空间光通信系统的同时，研究人员还表明，以前在微小的单单元等离激元天线上展示的速度和效率特性也可以在更大的厘米级设备上实现。

这项研究今天（2021年2月11日）在线发表在 Optica杂志上。

2016年，来自Facebook旗下子公司Internet.org的连通性实验室的研究人员概述了一种新型的光探测器，该光探测器有可能用于自由空间光通信。传统上，硬连线的光纤连接可能比无线电波无线连接快得多。这是因为可见光和近红外光频率可以比无线电波（WiFi，蓝牙等）携带更多的信息。

但是在无线设备中使用这些更高的频率是困难的。当前设置使用针对探测器的LED或激光，这些探测器可以重新定向以优化连接。但是，如果检测器可以一次捕获来自不同方向的光，则效率会更高。问题是增加光接收器的尺寸也会使其变慢。

连接实验室的设计也是如此。球形的荧光纤维束从任何方向捕获蓝色激光，然后重新发射绿光，可以将其聚集到小型接收器上。尽管该原型机能够实现每秒2吉比特的速率，但大多数光纤互联网提供商都提供了高达10 Gb的速度，而高端系统则可以推动成千上万的速度。

研究人员创造了一个新的等离子体超表面，将荧光染料分子夹在金膜和100纳米宽的银立方体之间。当光击中该结构时，它会激发局部的表面等离子体激元，这会导致染料分子在被入射光激发后非常快速地发光。（a）中示出了超表面的示意图，（b）中示出了12毫米样品的扫描电子显微镜图像。

在寻找一种加快自由空间光通信设计速度的方法时，连通性实验室求助于Maiken Mikkelsen，James N.和Elizabeth H. Barton杜克大学电气与计算机工程与物理副教授。在过去的十年中，米克尔森（Mikkelsen）一直是等离子体技术领域的领先研究人员，该技术可将光捕获在微小纳米立方体的表面上，从而使设备在传输和吸收光时的速度和效率提高一千倍以上。

Mikkelsen说：“连通性实验室的原型受到所用荧光染料发射寿命的限制，从而使其效率低下且速度缓慢。”“他们想提高效率，并且发现我的工作在荧光系统中显示出超快的响应时间。我的研究仅证明了在单个纳米级系统上可以达到这些效率，因此我们不知道它是否可以扩展到厘米级检测器。”

Mikkelsen解释说，以前的所有工作都是单天线原理验证演示。这些系统通常包含相距数十到数百纳米的金属纳米立方体，并且仅在金属膜上方放置几纳米。尽管一项实验可能在大面积上使用数以万计的纳米立方体，但研究表明其超快性能的潜力在历史上只挑选了一个立方体进行测量。

在新论文中，米克尔森（Mikkelsen）和在其实验室工作的博士后研究员安德鲁•特拉沃索（Andrew Traverso）为大面积等离子体设备带来了更具针对性和优化设计。仅60纳米宽的银纳米立方体间隔200纳米左右，覆盖了设备表面的17％。这些纳米立方体位于银薄层上方仅七纳米处，由一层聚合物涂层隔开，该聚合物涂层与四层荧光染料相互堆积。

纳米立方体以增强荧光染料的光子能力的方式与银碱相互作用，导致总荧光增加910倍，发射速率增加133倍。超快天线还可以捕获来自120度视野的光，并将其转换为定向源，具有30％的创纪录的高总效率。

特拉弗索说：“人们一直认为，在大范围内，电磁效应会损失很多效率。”“但是我们已经表明，您可以利用纳米级设备的引人注目的超快发射功能，并在宏观上重新创建它。而且我们的方法很容易转移到制造工厂。我们可以用移液器和培养皿在不到一个小时的时间内创建这些大规模的等离子体超表面，只需在金属膜上进行简单的液体沉积即可。”

演示的总体效果是能够从大视野捕获光并将其集中到一个狭窄的圆锥体中而不会损失任何速度。为了使这项技术向前发展，研究人员需要将几个等离子设备组装在一起，以覆盖360度的视野，并再次包括一个单独的内部探测器。尽管有工作要做，但研究人员看到了一条可行的前进之路。

“在本演示中，我们的结构可有效地将光子从广角中继到窄角，而不会降低速度，” Mikkelsen说。“我们尚未在原始论文中集成常规的快速光电探测器，就像Connectivity Lab一样。但是我们解决了设计中的主要瓶颈，未来的应用程序非常令人兴奋！”

参考：超快光电子学的低损耗，厘米级等离子等离子表面，安德鲁·J·特拉沃索，黄剑妮，蒂博·佩隆内尔，杨国策，托比亚斯·蒂克和迈肯·米克尔森，2021年2月11日， Optica。DOI：
10.1264 / OPTICA.400731

这项工作由Facebook和空军科研办公室（FA9550-15-1-0301，FA9550-18-1-0326）资助。