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    Captura de luz óptica de espacio libre para Wi-Fi de alta velocidad

    Una descripción de cerca de la nueva antena WiFi óptica sin fibra. Los nanocubos de plata están espaciados solo unos pocos nanómetros por encima de una base de plata, con tintes fluorescentes intercalados. El espaciado físico y las dimensiones de los nanocubos con respecto a la base mejoran en gran medida las propiedades fotónicas del tinte fluorescente. Crédito:Andrew Traverso, Universidad de Duke

    La luz visible e infrarroja puede transportar más datos que las ondas de radio, pero siempre se ha limitado a un cableado, cable de fibra óptica. Trabajando con el laboratorio de conectividad de Facebook, Un equipo de investigación de Duke ha logrado un gran avance hacia el sueño de deshacerse de la fibra óptica.

    Mientras trabajaba para crear un sistema de comunicación óptica de espacio libre para Internet inalámbrico de alta velocidad, Los investigadores también muestran que las propiedades de velocidad y eficiencia demostradas previamente en pequeños, Las antenas plasmónicas de una sola unidad también se pueden lograr en Dispositivos de escala centimétrica.

    La investigación aparece en línea el 11 de febrero en la revista Optica .

    En 2016, Investigadores del Laboratorio de Conectividad de Internet.org, una subsidiaria de Facebook, describieron un nuevo tipo de detector de luz que podría usarse potencialmente para la comunicación óptica en el espacio libre. Tradicionalmente, Las conexiones de fibra óptica cableadas pueden ser mucho más rápidas que las conexiones inalámbricas de ondas de radio. Esto se debe a que las frecuencias de luz visible e infrarroja cercana pueden transportar mucha más información que las ondas de radio (WiFi, Bluetooth, etc).

    Pero usar estas frecuencias más altas en dispositivos inalámbricos es difícil. Las configuraciones actuales utilizan LED o láseres dirigidos a detectores que pueden reorientarse para optimizar la conexión. Sería mucho más eficiente, sin embargo, si un detector pudiera capturar la luz de diferentes direcciones a la vez. El problema es que aumentar el tamaño de un receptor óptico también lo hace más lento.

    Este fue también el caso del diseño del Laboratorio de conectividad. Un haz esférico de fibras fluorescentes capturó la luz láser azul desde cualquier dirección y reemitió la luz verde que podría canalizarse hacia un pequeño receptor. Si bien el prototipo pudo alcanzar tasas de dos gigabits por segundo, la mayoría de los proveedores de Internet de fibra óptica ofrecen hasta 10 Gb, y los sistemas de gama alta pueden llegar a miles.

    Buscando una forma de acelerar sus diseños de comunicación óptica en espacio libre, el Laboratorio de Conectividad se dirigió a Maiken Mikkelsen, el Profesor Asociado James N. y Elizabeth H. Barton de Ingeniería Eléctrica e Informática y Física en Duke. En la última década, Mikkelsen ha sido un investigador líder en el campo de la plasmónica, que atrapa la luz en la superficie de diminutos nanocubos para aumentar la velocidad y la eficiencia de un dispositivo para transmitir y absorber luz en más de mil veces.

    Los nanocubos de plata se esparcen por toda la superficie del nuevo dispositivo. Mientras que investigaciones anteriores han informado sobre cubos individuales que muestran propiedades mejoradas, El nuevo trabajo mostró que estas mejoras de eficiencia se pueden lograr a escala macroscópica. Crédito:Andrew Traverso, Universidad de Duke

    "El prototipo del Laboratorio de Conectividad estaba limitado por la vida útil de las emisiones del tinte fluorescente que estaban usando, haciendo que sea ineficiente y lento, ", dijo Mikkelsen." Querían aumentar la eficiencia y encontraron mi trabajo que muestra tiempos de respuesta ultrarrápidos en sistemas fluorescentes. Mi investigación solo había demostrado que estas tasas de eficiencia eran posibles en una sola, sistemas a nanoescala, así que no sabíamos si podía escalar hasta un detector de escala centimétrica ".

    Todo el trabajo anterior, Mikkelsen explica:ha sido demostraciones de prueba de principio con una sola antena. Estos sistemas generalmente involucran nanocubos de metal espaciados de decenas a cientos de nanómetros y colocados solo un puñado de nanómetros por encima de una película de metal. Si bien un experimento puede usar decenas de miles de nanocubos en un área grande, La investigación que muestra su potencial para propiedades ultrarrápidas históricamente ha escogido solo un cubo para medir.

    Los investigadores crearon una nueva metasuperficie plasmónica que empareja moléculas de tinte fluorescente entre una película de oro y cubos de plata de 100 nanómetros de ancho. Cuando la luz golpea esta estructura, excita plasmones superficiales localizados, lo que hace que las moléculas de tinte emitan luz muy rápidamente después de ser excitadas por la luz entrante. En (a) se muestra un esquema de la metasuperficie, y en (b) se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido de una muestra de 12 milímetros. Crédito:Maiken H. Mikkelsen, Universidad de Duke

    En el nuevo periódico, Mikkelsen y Andrew Traverso, una investigadora postdoctoral que trabaja en su laboratorio, trajo un diseño más útil y optimizado a un dispositivo plasmónico de área grande. Los nanocubos de plata de solo 60 nanómetros de ancho están separados por unos 200 nanómetros, cubriendo el 17% de la superficie del dispositivo. Estos nanocubos se encuentran a solo siete nanómetros por encima de una fina capa de plata, espaciados por una capa de polímero que está repleto de cuatro capas de tinte fluorescente.

    Los nanocubos interactúan con la base de plata de una manera que mejora las capacidades fotónicas del tinte fluorescente. provocando un aumento de 910 veces en la fluorescencia general y una mejora de la tasa de emisión de 133 veces. La antena ultrarrápida también puede capturar la luz desde un campo de visión de 120 grados y convertirla en una fuente direccional con una eficiencia general récord del 30%.

    "Siempre se ha sabido que los efectos plasmónicos pierden mucha eficiencia en un área grande, ", dijo Traverso." Pero hemos demostrado que se pueden tomar atractivas características de emisión ultrarrápida de un dispositivo a nanoescala y recrearlo en una escala macroscópica. Y nuestro método se puede transferir muy fácilmente a las instalaciones de fabricación. Podemos crear estas metasuperficies plasmónicas a gran escala en menos de una hora con pipetas y placas de Petri, simplemente deposiciones líquidas sobre películas metálicas ".

    El efecto general de la demostración es la capacidad de capturar la luz de un gran campo de visión y canalizarla hacia un cono estrecho sin perder velocidad. Para avanzar con esta tecnología, los investigadores necesitarían juntar varios dispositivos plasmónicos para cubrir un campo de visión de 360 ​​grados y, una vez más, incluir un detector interior separado. Si bien hay trabajo por hacer, los investigadores ven un camino viable a seguir.

    "En esta demostración, nuestra estructura actúa para transmitir eficientemente los fotones desde un ángulo amplio a un ángulo estrecho sin perder velocidad, ", dijo Mikkelsen." Todavía no integramos un fotodetector rápido normal como lo hizo el Laboratorio de Conectividad en su documento original. ¡Pero resolvimos el principal cuello de botella en el diseño y las aplicaciones futuras son muy emocionantes! "


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