Une représentation en gros plan de la nouvelle antenne WiFi optique sans fibre. Les nanocubes d'argent sont espacés de quelques nanomètres au-dessus d'une base d'argent, avec des colorants fluorescents pris en sandwich entre les deux. L'espacement physique et les dimensions des nanocubes par rapport à la base améliorent considérablement les propriétés photoniques du colorant fluorescent. Crédit :Andrew Traverso, université de Duke
La lumière visible et infrarouge peut transporter plus de données que les ondes radio, mais a toujours été confiné à un filaire, câble de fibre optique. Travailler avec le laboratoire de connectivité de Facebook, une équipe de recherche de Duke a maintenant fait une avancée majeure vers le rêve d'abandonner la fibre dans la fibre optique.
Tout en travaillant à la création d'un système de communication optique en espace libre pour Internet sans fil haut débit, les chercheurs montrent également que les propriétés de vitesse et d'efficacité précédemment démontrées sur de minuscules, des antennes plasmoniques unitaires peuvent également être réalisées sur de plus grandes, appareils centimétriques.
La recherche paraît en ligne le 11 février dans le journal Optique .
En 2016, des chercheurs du Connectivity Lab d'Internet.org, une filiale de Facebook, ont décrit un nouveau type de détecteur de lumière qui pourrait potentiellement être utilisé pour la communication optique en espace libre. Traditionnellement, Les connexions par fibre optique câblées peuvent être beaucoup plus rapides que les connexions sans fil par ondes radio. En effet, les fréquences de lumière visible et proche infrarouge peuvent transporter beaucoup plus d'informations que les ondes radio (WiFi, Bluetooth, etc).
Mais l'utilisation de ces fréquences plus élevées dans les appareils sans fil est difficile. Les configurations actuelles utilisent soit des LED, soit des lasers destinés à des détecteurs qui peuvent se réorienter pour optimiser la connexion. Ce serait beaucoup plus efficace, cependant, si un détecteur pouvait capter la lumière provenant de différentes directions à la fois. Le hic, c'est que l'augmentation de la taille d'un récepteur optique le rend également plus lent.
Ce fut également le cas pour la conception du Connectivity Lab. Un faisceau sphérique de fibres fluorescentes capturait la lumière laser bleue de n'importe quelle direction et réémettait de la lumière verte qui pouvait être dirigée vers un petit récepteur. Alors que le prototype était capable d'atteindre des taux de deux gigabits par seconde, la plupart des fournisseurs d'accès Internet en fibre optique offrent jusqu'à 10 Go, et les systèmes haut de gamme peuvent atteindre des milliers.
À la recherche d'un moyen d'accélérer leurs conceptions de communication optique en espace libre, le Connectivity Lab s'est tourné vers Maiken Mikkelsen, James N. et Elizabeth H. Barton professeur agrégé de génie électrique et informatique et de physique à Duke. Durant la dernière décennie, Mikkelsen a été un chercheur de premier plan dans le domaine de la plasmonique, qui piège la lumière à la surface de minuscules nanocubes pour augmenter la vitesse et l'efficacité d'un appareil pour transmettre et absorber la lumière de plus de mille fois.
Des nanocubes d'argent s'étalent sur toute la surface du nouvel appareil. Alors que des recherches antérieures ont fait état de cubes individuels affichant des propriétés améliorées, les nouveaux travaux ont montré que ces améliorations d'efficacité peuvent être obtenues à une échelle macroscopique. Crédit :Andrew Traverso, université de Duke
"Le prototype du Connectivity Lab était limité par la durée de vie des émissions du colorant fluorescent qu'ils utilisaient, le rendant inefficace et lent, " a déclaré Mikkelsen. " Ils voulaient augmenter l'efficacité et sont tombés sur mon travail montrant des temps de réponse ultrarapides dans les systèmes fluorescents. Mes recherches n'avaient prouvé que ces taux d'efficacité étaient possibles sur un seul, systèmes nanométriques, donc nous ne savions pas s'il pouvait évoluer jusqu'à un détecteur à l'échelle centimétrique."
Tous les travaux antérieurs, Mikkelsen explique, a été des démonstrations de preuve de principe avec une seule antenne. Ces systèmes impliquent généralement des nanocubes métalliques espacés de quelques dizaines à plusieurs centaines de nanomètres et placés à seulement quelques nanomètres au-dessus d'un film métallique. Alors qu'une expérience peut utiliser des dizaines de milliers de nanocubes sur une grande surface, la recherche montrant son potentiel pour les propriétés ultra-rapides a historiquement choisi un seul cube pour la mesure.
Les chercheurs ont créé une nouvelle métasurface plasmonique qui prend en sandwich des molécules de colorant fluorescent entre un film d'or et des cubes d'argent de 100 nanomètres de large. Lorsque la lumière frappe cette structure, il excite des plasmons de surface localisés, ce qui amène les molécules de colorant à émettre de la lumière très rapidement après avoir été excitées par la lumière entrante. Un schéma de la métasurface est montré en (a), et une image de microscopie électronique à balayage d'un échantillon de 12 millimètres est montrée en (b). Crédit :Maiken H. Mikkelsen, université de Duke
Dans le nouveau journal, Mikkelsen et Andrew Traverso, une chercheuse postdoctorale travaillant dans son laboratoire, a apporté une conception plus ciblée et optimisée à un dispositif plasmonique de grande surface. Les nanocubes d'argent de seulement 60 nanomètres de large sont espacés d'environ 200 nanomètres, couvrant 17% de la surface de l'appareil. Ces nanocubes se trouvent à seulement sept nanomètres au-dessus d'une fine couche d'argent, espacés par un revêtement de polymère bourré de quatre couches de colorant fluorescent.
Les nanocubes interagissent avec la base d'argent d'une manière qui améliore les capacités photoniques du colorant fluorescent, provoquant une augmentation de 910 fois de la fluorescence globale et une amélioration du taux d'émission de 133 fois. L'antenne ultrarapide peut également capturer la lumière d'un champ de vision de 120 degrés et la convertir en une source directionnelle avec une efficacité globale record de 30 %.
"Les effets plasmoniques ont toujours été connus pour perdre beaucoup d'efficacité sur une grande surface, " a déclaré Traverso. "Mais nous avons montré que vous pouvez prendre des caractéristiques d'émission ultrarapides attrayantes d'un dispositif à l'échelle nanométrique et les recréer à une échelle macroscopique. Et notre méthode est très facilement transférable aux installations de fabrication. Nous pouvons créer ces métasurfaces plasmoniques à grande échelle en moins d'une heure avec des pipettes et des boîtes de Pétri, de simples dépôts liquides sur des films métalliques."
L'effet global de la démonstration est la capacité de capturer la lumière à partir d'un large champ de vision et de la canaliser dans un cône étroit sans perdre de vitesse. Pour aller de l'avant avec cette technologie, les chercheurs devraient assembler plusieurs dispositifs plasmoniques pour couvrir un champ de vision de 360 degrés et inclure à nouveau un détecteur intérieur séparé. Tant qu'il y a du travail à faire, les chercheurs voient une voie à suivre viable.
« Dans cette manifestation, notre structure agit pour relayer efficacement les photons d'un grand angle vers un angle étroit sans perdre de vitesse, " a déclaré Mikkelsen. " Nous n'avons pas encore intégré de photodétecteur rapide comme le Connectivity Lab l'a fait dans son article d'origine. Mais nous avons résolu le principal goulot d'étranglement dans la conception et les futures applications sont très excitantes !"