Zichtbaar en infrarood licht kunnen meer gegevens bevatten dan radiogolven, maar is altijd beperkt gebleven tot een vast bedrade, glasvezelkabel. Werken met Facebook's Connectivity Lab, een onderzoeksteam van Duke heeft nu een grote stap vooruit gemaakt in de richting van de droom om de vezel in glasvezel te dumpen.

Terwijl we werken aan het creëren van een optisch communicatiesysteem in de vrije ruimte voor snel draadloos internet, tonen de onderzoekers ook aan dat snelheids- en efficiëntie-eigenschappen die eerder zijn aangetoond op kleine, plasmonische antennes met één eenheid kunnen ook worden bereikt op grotere, apparaten op centimeterschaal.

Het onderzoek verschijnt online op 11 februari in het tijdschrift optiek .

in 2016, onderzoekers van Internet.org's Connectivity Lab - een dochteronderneming van Facebook - schetsten een nieuw type lichtdetector die mogelijk zou kunnen worden gebruikt voor optische communicatie in de vrije ruimte. traditioneel, bedrade glasvezelverbindingen kunnen veel sneller zijn dan draadloze verbindingen met radiogolven. Dit komt omdat frequenties van zichtbaar en nabij-infrarood licht veel meer informatie kunnen bevatten dan radiogolven (WiFi, Bluetooth, enzovoort).

Maar het gebruik van deze hogere frequenties in draadloze apparaten is moeilijk. Huidige opstellingen gebruiken ofwel LED's of lasers gericht op detectoren die zichzelf kunnen heroriënteren om de verbinding te optimaliseren. Het zou veel efficiënter zijn, echter, als een detector in één keer licht uit verschillende richtingen zou kunnen opvangen. De vangst is dat het vergroten van de grootte van een optische ontvanger het ook langzamer maakt.

Dat gold ook voor het ontwerp van het Connectivity Lab. Een bolvormige bundel fluorescerende vezels ving blauw laserlicht op vanuit elke richting en straalde groen licht uit dat naar een kleine ontvanger kon worden geleid. Terwijl het prototype snelheden van twee gigabit per seconde kon halen, de meeste glasvezel internet providers bieden tot 10 Gb, en duurdere systemen kunnen in de duizenden lopen.

Op zoek naar een manier om hun ontwerpen voor optische communicatie in de vrije ruimte te versnellen, het Connectivity Lab wendde zich tot Maiken Mikkelsen, de James N. en Elizabeth H. Barton Associate Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics aan Duke. In het afgelopen decennium is Mikkelsen is een vooraanstaand onderzoeker op het gebied van plasmonica, die licht vangt op het oppervlak van kleine nanokubussen om de snelheid en efficiëntie van een apparaat bij het doorlaten en absorberen van licht met meer dan duizend keer te verhogen.

"Het prototype van het Connectivity Lab werd beperkt door de emissielevensduur van de fluorescerende kleurstof die ze gebruikten, waardoor het inefficiënt en traag is, "Zei Mikkelsen. "Ze wilden de efficiëntie verhogen en kwamen mijn werk tegen met ultrasnelle responstijden in fluorescerende systemen. Mijn onderzoek had alleen aangetoond dat deze efficiëntiepercentages mogelijk waren op enkele, nanoschaal systemen, dus we wisten niet of het zou kunnen opschalen tot een detector op centimeterschaal."

Al het eerdere werk, Mikkelsen legt uit, is proof-of-principle demonstraties met een enkele antenne. Deze systemen omvatten meestal metalen nanokubussen die tientallen tot honderden nanometers van elkaar verwijderd zijn en slechts een handvol nanometers boven een metalen film zijn geplaatst. Terwijl een experiment tienduizenden nanokubussen over een groot gebied kan gebruiken, onderzoek dat het potentieel voor supersnelle eigenschappen aantoont, heeft historisch gezien slechts één kubus voor meting uitgekozen.

In de nieuwe krant Mikkelsen en Andrew Traverso, een postdoctoraal onderzoeker die in haar laboratorium werkt, bracht een meer doelgericht en geoptimaliseerd ontwerp naar een plasmonisch apparaat met een groot oppervlak. Zilveren nanokubussen van slechts 60 nanometer breed zijn ongeveer 200 nanometer van elkaar verwijderd, die 17% van het oppervlak van het apparaat bedekt. Deze nanokubussen zitten slechts zeven nanometer boven een dun laagje zilver, op afstand van elkaar door een coating van polymeer die is volgepropt met vier lagen fluorescerende kleurstof.

De nanokubussen interageren met de zilveren basis op een manier die de fotonische mogelijkheden van de fluorescerende kleurstof verbetert, het veroorzaken van een 910-voudige toename van de totale fluorescentie en een 133-voudige verhoging van de emissiesnelheid. De supersnelle antenne kan ook licht opvangen vanuit een gezichtsveld van 120 graden en dit omzetten in een gerichte bron met een recordhoge algehele efficiëntie van 30%.

"Van plasmonische effecten is altijd bekend dat ze veel efficiëntie verliezen over een groot gebied, " zei Traverso. "Maar we hebben aangetoond dat je aantrekkelijke ultrasnelle emissiekenmerken van een apparaat op nanoschaal kunt nemen en het op macroscopische schaal kunt nabootsen. En onze methode is heel gemakkelijk overdraagbaar naar fabricagefaciliteiten. We kunnen deze grootschalige plasmonische meta-oppervlakken in minder dan een uur maken met pipetten en petrischalen, gewoon eenvoudige vloeibare afzettingen op metaalfilms."

Het algemene effect van de demonstratie is het vermogen om licht uit een groot gezichtsveld te vangen en het in een smalle kegel te leiden zonder snelheid te verliezen. Om vooruit te komen met deze technologie, onderzoekers zouden verschillende plasmonische apparaten aan elkaar moeten koppelen om een ​​360-graden gezichtsveld te bestrijken en opnieuw een afzonderlijke binnendetector op te nemen. Terwijl er werk aan de winkel is, de onderzoekers zien een levensvatbare weg vooruit.

"Bij deze demonstratie onze structuur werkt om de fotonen efficiënt van een brede hoek naar een smalle hoek door te geven zonder snelheid te verliezen, " zei Mikkelsen. "We hebben nog geen gewone snelle fotodetector geïntegreerd zoals het Connectivity Lab deed in hun originele paper. Maar we hebben het grote knelpunt in het ontwerp opgelost en de toekomstige toepassingen zijn erg spannend!"