Blog

Vào năm 2016, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Kết nối của Internet.org – một công ty con của Facebook – đã phác thảo ra một loại máy dò ánh sáng mới có khả năng được sử dụng cho liên lạc quang học trong không gian tự do. Theo truyền thống, kết nối cáp quang có dây cứng có thể nhanh hơn nhiều so với kết nối không dây sóng vô tuyến. Điều này là do tần số ánh sáng nhìn thấy và gần hồng ngoại có thể mang nhiều thông tin hơn so với sóng vô tuyến (WiFi, Bluetooth, v.v.). Nhưng việc sử dụng các tần số cao hơn này trong các thiết bị không dây là rất khó. Các thiết lập hiện tại sử dụng đèn LED hoặc laser nhằm vào các máy dò có thể tự định hướng lại để tối ưu hóa kết nối. Tuy nhiên, sẽ hiệu quả hơn nhiều nếu một máy dò có thể thu được ánh sáng từ các hướng khác nhau cùng một lúc. Điểm đáng chú ý là việc tăng kích thước của bộ thu quang cũng làm cho nó hoạt động chậm hơn. Đây cũng là trường hợp thiết kế của Connectivity Lab. Một bó sợi huỳnh quang hình cầu bắt ánh sáng laze xanh lam từ bất kỳ hướng nào và phát ra lại ánh sáng xanh lục có thể truyền vào một máy thu nhỏ. Trong khi nguyên mẫu có thể đạt được tốc độ hai gigabit / giây, hầu hết các nhà cung cấp internet cáp quang đều cung cấp tối đa 10 Gb và các hệ thống cao cấp hơn có thể lên tới hàng nghìn. Đang tìm cách tăng tốc các thiết kế truyền thông quang học trong không gian tự do của họ, Phòng thí nghiệm Kết nối đã chuyển sang Maiken Mikkelsen, James N. và Elizabeth H. Barton Phó Giáo sư Vật lý và Kỹ thuật Điện và Máy tính tại Duke. Trong thập kỷ qua, Mikkelsen đã là nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực plasmonics, bẫy ánh sáng trên bề mặt của các ống nano nhỏ để tăng tốc độ và hiệu quả truyền và hấp thụ ánh sáng của thiết bị lên hơn một nghìn lần. Mikkelsen cho biết: “Nguyên mẫu của Phòng thí nghiệm kết nối bị hạn chế bởi thời gian phát xạ của thuốc nhuộm huỳnh quang mà họ đang sử dụng, khiến nó hoạt động kém hiệu quả và chậm chạp,” Mikkelsen nói. “Họ muốn tăng hiệu suất và xem qua công trình của tôi cho thấy thời gian phản hồi cực nhanh trong các hệ thống huỳnh quang. Nghiên cứu của tôi chỉ chứng minh rằng các tỷ lệ hiệu quả này là khả thi trên các hệ thống đơn lẻ, kích thước nano, vì vậy chúng tôi không biết liệu nó có thể mở rộng quy mô máy dò tỉ lệ centimet. ” Mikkelsen giải thích rằng tất cả các công trình trước đây đều là những minh chứng mang tính nguyên tắc với một ăng-ten duy nhất. Các hệ thống này thường liên quan đến các ống nano kim loại được đặt cách nhau hàng chục đến hàng trăm nanomet và chỉ đặt một vài nanomet trên màng kim loại. Mặc dù một thí nghiệm có thể sử dụng hàng chục nghìn ống nano trên một diện tích rộng lớn, nhưng nghiên cứu cho thấy tiềm năng của nó đối với các đặc tính siêu nhanh trong lịch sử chỉ chọn một khối lập phương để đo lường. Trong bài báo mới, Mikkelsen và Andrew Traverso, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ làm việc trong phòng thí nghiệm của cô ấy, đã mang đến một thiết kế tối ưu và có mục đích hơn cho một thiết bị plasmonic diện tích lớn. Các ống nano bạc chỉ rộng 60 nanomet được đặt cách nhau khoảng 200 nanomet, bao phủ 17% bề mặt của thiết bị. Các ống nano này chỉ nằm trên một lớp bạc mỏng bảy nanomet, được ngăn cách bởi một lớp phủ polyme được bao bọc bởi bốn lớp thuốc nhuộm huỳnh quang. Các ống nano tương tác với đế bạc theo cách tăng cường khả năng quang tử của thuốc nhuộm huỳnh quang, gây ra sự tăng huỳnh quang tổng thể gấp 910 lần và tăng tốc độ phát xạ lên 133 lần. Ăng-ten siêu nhanh cũng có thể thu nhận ánh sáng từ trường nhìn 120 độ và chuyển đổi nó thành nguồn định hướng với hiệu suất tổng thể cao kỷ lục là 30%. Traverso cho biết: “Hiệu ứng plasmonic luôn được biết là làm mất nhiều hiệu quả trên một diện tích lớn. “Nhưng chúng tôi đã chứng minh rằng bạn có thể sử dụng các tính năng phát xạ cực nhanh hấp dẫn của một thiết bị kích thước nano và tái tạo nó trên quy mô vĩ mô. Và phương pháp của chúng tôi có thể chuyển giao rất dễ dàng cho các cơ sở chế tạo. Chúng tôi có thể tạo ra các siêu bề mặt plasmonic kích thước lớn này trong vòng chưa đầy một giờ bằng pipet và đĩa Petri, chỉ là chất lỏng lắng đọng đơn giản trên màng kim loại. ” Hiệu quả tổng thể của cuộc trình diễn là khả năng thu nhận ánh sáng từ một trường nhìn lớn và chuyển nó thành một hình nón hẹp mà không làm giảm bất kỳ tốc độ nào. Để tiếp tục phát triển công nghệ này, các nhà nghiên cứu sẽ cần phải ghép một số thiết bị plasmonic lại với nhau để bao phủ trường nhìn 360 độ và một lần nữa bao gồm một máy dò bên trong riêng biệt. Trong khi có nhiều việc phải làm, các nhà nghiên cứu nhìn thấy một con đường khả thi ở phía trước. Mikkelsen cho biết: “Trong phần trình diễn này, cấu trúc của chúng tôi hoạt động để chuyển tiếp hiệu quả các photon từ góc rộng sang góc hẹp mà không làm giảm tốc độ”. “Chúng tôi chưa tích hợp một bộ tách sóng quang nhanh thông thường như Connectivity Lab đã làm trong bài báo gốc của họ. Nhưng chúng tôi đã giải quyết được nút thắt lớn trong thiết kế và các ứng dụng trong tương lai rất thú vị!”