来源：IEEE电气电子工程师

Illustration: Duke University

A close-up depiction of the new fiber-free optical WiFi antenna. Silver nanocubes are spaced just a few nanometers above a silver base, with fluorescent dyes sandwiched in between. The physical spacing and dimensions of the nanocubes relative to the base greatly enhances the photonic properties of the fluorescent dye.

这是一个简单的事实，较高的频率比较低的频率固有地可携带更多的数据。电磁波在一秒钟内循环的次数越多，它被调制以容纳信息的速度就越快。这就是为什么自由空间光通信是一个如此热门的研究课题：可见光波长比无线电波能携带更多的数据。

问题是光波比无线电波更难发射和接收。对于无线电波，全向天线可以在两端之中的任一端完成工作。光学传输技术需要视线设置中的激光或LED以及接收器，它们很容易对齐错误。

杜克大学（Duke University）的研究人员与Facebook的连接性实验室（Connectivity Lab）合作，已采取初步步骤来开发一种结合了两全其美的光学技术：他们已经制造出一种可以在光学范围内接收信号的全向天线。

上个月在Optica上发表的一篇论文中描述了这项工作，该工作始于Connectivity Lab，该实验室开展了一系列旨在缩小宽带接入差距的研究。并且，已经着手开发了一种传输技术，与无线电天线的传输技术相当，但适用于光学频率。

杜克大学的一位博士后Andrew Traverso说：“他们的整个想法是，如果我们能像卫星天线一样从一个大的区域采集数据，然后将其聚焦，我们就能从中获得相当高的信号。”所以他们用光纤设计了这种非常新颖的天线，有点像光纤的编织物 -- 把它做成了一个碗的形状。

Connectivity Lab的研究人员在光纤中嵌入了一种荧光染料，这样，不管光线从哪个方向照射到“碗”上，都会同样照射到染料上。这将导致染料发出荧光，在光纤内部产生第二个光信号。然后，光纤将第二个信号沿着其长度定向到最终的接收器。

然而，Connectivity Lab遇到了一个障碍：他们无法弄清楚如何使荧光染料发出足够快的荧光。Traverso说：“这大约是十亿分之一秒，甚至更长。如果做相反的话，那充其量也许就是千兆赫。希望能够将其推到更快的频率，能够尽快调制该光线。”

因此，Connectivity Lab求助于杜克大学的物理学家、等离子体电子学专家Maiken Mikkelsen，这是一门产生和探测金属中与光相互作用的“表面等离子体”（基本上是自由电子）产生的电磁波的科学。该领域的灵感来自更成熟的光子学领域，该领域具有相似的目标，但光子而非表面等离子体激元除外。Mikkelsen的实验室以前做过一些小的荧光纳米立方体的工作，这些立方体可以在皮秒范围内超快发射。Connectivity Lab希望Mikkelsen能在这项工作的基础上帮助解决问题。

Image: Duke University

Mikkelsen在杜克大学的实验室最终意识到，对他们来说，一个巨大的挑战是将他们的纳米立方体工作转化为更大的规模。然而，事实上，“更大的规模”一词可能会产生误导：等离子体电子学的研究通常集中在几平方纳米大小的区域。相反，我们的目标是在一个占地面积只有几平方毫米，或者有可能是一平方厘米的区域实现这一点，换句话说，大约是一个典型智能手机的天线大小。

在纳米尺度上建造和测试等离子天线比较容易，因为每个天线都非常小，制作也非常精确。如果一个或多个天线不工作，可能会毁掉整个阵列。如果试图创建毫米级或厘米级系统，单个天线出现缺陷的几率自然会上升。

Mikkelsen的团队提出了新的制造技术，在一维空间构建纳米尺度的天线，同时还在一个相对较大的区域上工作，以在其他维度创建整个阵列。Mikkelsen说，传统上，这些结构是用电子束光刻技术制造的，这种技术可以获得非常精细的细节，但不会缩放。取而代之的是，他们采用了一种沉积技术，一层一层地建造天线。

结果仍极为初步。然而，Mikkelsen和Traverso已经看到了在生物传感、成像，当然还有光通信方面的潜在应用。

考虑到诸如理想光源或理想探测器可能是什么样的基本问题还不清楚，他们对于推测利用这种天线的光通信系统最终会有多快还很犹豫。但很明显，要想与无线电领域的尖端竞争，速度就必须快。无线电系统已经达到每秒100千兆字节。如果说任何一个光通信系统最终都源于杜克大学和Connectivity Lab已经奠定的基础，那么期望它超过每秒1太比特甚至更高似乎并非不合情理。

Connectivity Lab目前不再直接从事这项研究，但Mikkelsen和她的实验室并没有完全放弃，他们已经在考虑接下来会发生什么了 -- 一旦荧光染料捕捉到并发出光，就可以更好地对其进行浓缩，并确保末端探测器尽可能精确。

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