Les améliorations de la vitesse plasmonique précédemment limitées aux phénomènes nanométriques sont répliquées sur des dispositifs macroscopiques – Technoguide

La lumière visible et infrarouge peut transporter plus de données que les ondes radio, mais a toujours été confinée à un câble à fibre optique câblé. En collaboration 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 à haut débit, les chercheurs montrent également que les propriétés de vitesse et d’efficacité précédemment démontrées sur de minuscules antennes plasmoniques à une seule unité peuvent également être obtenues sur des appareils plus grands à l’échelle du centimètre.

La recherche paraît en ligne le 11 février dans la revue Optica.

En 2016, des chercheurs du Connectivity Lab d’Internet.org – une filiale de Facebook – ont présenté 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 aux détecteurs qui peuvent se réorienter pour optimiser la connexion. Il serait cependant beaucoup plus efficace si un détecteur pouvait capturer la lumière provenant de différentes directions en même temps. Le hic, c’est que l’augmentation de la taille d’un récepteur optique le rend également plus lent.

C’était 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 une lumière verte qui pouvait être canalisée sur un petit récepteur. Alors que le prototype a pu atteindre des débits de deux gigabits par seconde, la plupart des fournisseurs d’accès Internet par 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, professeur agrégé James N. et Elizabeth H. Barton de génie électrique et informatique et de physique à Duke. Au cours de la dernière décennie, Mikkelsen a été un chercheur de premier plan dans le domaine de la plasmonique, qui emprisonne la lumière à la surface de minuscules nanocubes pour augmenter la vitesse et l’efficacité d’un appareil à transmettre et à absorber la lumière de plus de mille fois.

«Le prototype du Connectivity Lab était limité par la durée de vie des émissions du colorant fluorescent qu’ils utilisaient, ce qui le rendait inefficace et lent», a déclaré Mikkelsen. «Ils voulaient augmenter l’efficacité et sont tombés sur mon travail montrant des temps de réponse ultra-rapides dans les systèmes fluorescents. Mes recherches avaient seulement prouvé que ces taux d’efficacité étaient possibles sur des systèmes uniques à l’échelle nanométrique, nous ne savions donc pas s’il pouvait évoluer jusqu’à un détecteur à l’échelle du centimètre. “

Tous les travaux antérieurs, explique Mikkelsen, consistaient en des démonstrations de démonstration de principe avec une seule antenne. Ces systèmes impliquent généralement des nanocubes métalliques espacés de plusieurs dizaines à des centaines de nanomètres et placés juste une poignée de 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.

Dans le nouvel article, Mikkelsen et Andrew Traverso, un chercheur postdoctoral travaillant dans son laboratoire, ont apporté une conception plus ciblée et optimisée à un dispositif plasmonique à grande surface. Des 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 qui est 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 à partir 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 les caractéristiques d’émission ultra-rapides attrayantes d’un appareil nanométrique et le 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 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. Bien qu’il y ait du travail à faire, les chercheurs voient une voie viable à suivre.

«Dans cette démonstration, 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 un photodétecteur rapide régulier comme le Connectivity Lab dans leur papier d’origine. Mais nous avons résolu le goulot d’étranglement majeur dans la conception et les futures applications sont très excitantes!”

Ce travail a été financé par Facebook et le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air (FA9550-15-1-0301, FA9550-18-1-0326).

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université Duke. Original écrit par Ken Kingery. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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