可以在光學(xué)范圍內(nèi)接收信號(hào)的全向天線

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，較高的頻率比較低的頻率固有地可攜帶更多的數(shù)據(jù)。電磁波在一秒鐘內(nèi)循環(huán)的次數(shù)越多，它被調(diào)制以容納信息的速度就越快。這就是為什么自由空間光通信是一個(gè)如此熱門的研究課題：可見(jiàn)光波長(zhǎng)比無(wú)線電波能攜帶更多的數(shù)據(jù)。

問(wèn)題是光波比無(wú)線電波更難發(fā)射和接收。對(duì)于無(wú)線電波，全向天線可以在兩端之中的任一端完成工作。光學(xué)傳輸技術(shù)需要視線設(shè)置中的激光或LED以及接收器，它們很容易對(duì)齊錯(cuò)誤。

杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員與Facebook的連接性實(shí)驗(yàn)室（Connectivity Lab）合作，已采取初步步驟來(lái)開發(fā)一種結(jié)合了兩全其美的光學(xué)技術(shù)：他們已經(jīng)制造出一種可以在光學(xué)范圍內(nèi)接收信號(hào)的全向天線。

上個(gè)月在Optica上發(fā)表的一篇論文中描述了這項(xiàng)工作，該工作始于Connectivity Lab，該實(shí)驗(yàn)室開展了一系列旨在縮小寬帶接入差距的研究。并且，已經(jīng)著手開發(fā)了一種傳輸技術(shù)，與無(wú)線電天線的傳輸技術(shù)相當(dāng)，但適用于光學(xué)頻率。

杜克大學(xué)的一位博士后Andrew Traverso說(shuō)：“他們的整個(gè)想法是，如果我們能像衛(wèi)星天線一樣從一個(gè)大的區(qū)域采集數(shù)據(jù)，然后將其聚焦，我們就能從中獲得相當(dāng)高的信號(hào)。”所以他們用光纖設(shè)計(jì)了這種非常新穎的天線，有點(diǎn)像光纖的編織物 -- 把它做成了一個(gè)碗的形狀。

Connectivity Lab的研究人員在光纖中嵌入了一種熒光染料，這樣，不管光線從哪個(gè)方向照射到“碗”上，都會(huì)同樣照射到染料上。這將導(dǎo)致染料發(fā)出熒光，在光纖內(nèi)部產(chǎn)生第二個(gè)光信號(hào)。然后，光纖將第二個(gè)信號(hào)沿著其長(zhǎng)度定向到最終的接收器。

然而，Connectivity Lab遇到了一個(gè)障礙：他們無(wú)法弄清楚如何使熒光染料發(fā)出足夠快的熒光。Traverso說(shuō)：“這大約是十億分之一秒，甚至更長(zhǎng)。如果做相反的話，那充其量也許就是千兆赫。希望能夠?qū)⑵渫频礁斓念l率，能夠盡快調(diào)制該光線。”

因此，Connectivity Lab求助于杜克大學(xué)的物理學(xué)家、等離子體電子學(xué)專家Maiken Mikkelsen，這是一門產(chǎn)生和探測(cè)金屬中與光相互作用的“表面等離子體”（基本上是自由電子）產(chǎn)生的電磁波的科學(xué)。該領(lǐng)域的靈感來(lái)自更成熟的光子學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域具有相似的目標(biāo)，但光子而非表面等離子體激元除外。Mikkelsen的實(shí)驗(yàn)室以前做過(guò)一些小的熒光納米立方體的工作，這些立方體可以在皮秒范圍內(nèi)超快發(fā)射。Connectivity Lab希望Mikkelsen能在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上幫助解決問(wèn)題。

Mikkelsen在杜克大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室最終意識(shí)到，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是將他們的納米立方體工作轉(zhuǎn)化為更大的規(guī)模。然而，事實(shí)上，“更大的規(guī)模”一詞可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)：等離子體電子學(xué)的研究通常集中在幾平方納米大小的區(qū)域。相反，我們的目標(biāo)是在一個(gè)占地面積只有幾平方毫米，或者有可能是一平方厘米的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，換句話說(shuō)，大約是一個(gè)典型智能手機(jī)的天線大小。

在納米尺度上建造和測(cè)試等離子天線比較容易，因?yàn)槊總€(gè)天線都非常小，制作也非常精確。如果一個(gè)或多個(gè)天線不工作，可能會(huì)毀掉整個(gè)陣列。如果試圖創(chuàng)建毫米級(jí)或厘米級(jí)系統(tǒng)，單個(gè)天線出現(xiàn)缺陷的幾率自然會(huì)上升。

Mikkelsen的團(tuán)隊(duì)提出了新的制造技術(shù)，在一維空間構(gòu)建納米尺度的天線，同時(shí)還在一個(gè)相對(duì)較大的區(qū)域上工作，以在其他維度創(chuàng)建整個(gè)陣列。Mikkelsen說(shuō)，傳統(tǒng)上，這些結(jié)構(gòu)是用電子束光刻技術(shù)制造的，這種技術(shù)可以獲得非常精細(xì)的細(xì)節(jié)，但不會(huì)縮放。取而代之的是，他們采用了一種沉積技術(shù)，一層一層地建造天線。

結(jié)果仍極為初步。然而，Mikkelsen和Traverso已經(jīng)看到了在生物傳感、成像，當(dāng)然還有光通信方面的潛在應(yīng)用。

考慮到諸如理想光源或理想探測(cè)器可能是什么樣的基本問(wèn)題還不清楚，他們對(duì)于推測(cè)利用這種天線的光通信系統(tǒng)最終會(huì)有多快還很猶豫。但很明顯，要想與無(wú)線電領(lǐng)域的尖端競(jìng)爭(zhēng)，速度就必須快。無(wú)線電系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到每秒100千兆字節(jié)。如果說(shuō)任何一個(gè)光通信系統(tǒng)最終都源于杜克大學(xué)和Connectivity Lab已經(jīng)奠定的基礎(chǔ)，那么期望它超過(guò)每秒1太比特甚至更高似乎并非不合情理。

Connectivity Lab目前不再直接從事這項(xiàng)研究，但Mikkelsen和她的實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有完全放棄，他們已經(jīng)在考慮接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么了 -- 一旦熒光染料捕捉到并發(fā)出光，就可以更好地對(duì)其進(jìn)行濃縮，并確保末端探測(cè)器盡可能精確。

原文標(biāo)題：杜克大學(xué)和Facebook聯(lián)手開發(fā)更好的光通信

文章出處：【微信公眾號(hào)：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯:haq