這是一個簡單的事實，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如此熱門的研究課題：可見光波長比無線電波能攜帶更多的數(shù)據(jù)。

問題是光波比無線電波更難發(fā)射和接收。對于無線電波，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，它們很容易對齊錯誤。

杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員與Facebook的連接性實驗室（Connectivity Lab）合作，已采取初步步驟來開發(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)接收信號的全向天線。

上個月在Optica上發(fā)表的一篇論文中描述了這項工作，該工作始于Connectivity Lab，該實驗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：“他們的整個想法是，如果我們能像衛(wèi)星天線一樣從一個大的區(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?！彼运麄冇霉饫w設(shè)計了這種非常新穎的天線，有點像光纖的編織物 -- 把它做成了一個碗的形狀。

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

然而，Connectivity Lab遇到了一個障礙：他們無法弄清楚如何使熒光染料發(fā)出足夠快的熒光。Traverso說：“這大約是十億分之一秒，甚至更長。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的實驗室以前做過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能在這項工作的基礎(chǔ)上幫助解決問題。

Mikkelsen在杜克大學(xué)的實驗室最終意識到，對他們來說，一個巨大的挑戰(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，事實上，“更大的規(guī)模”一詞可能會產(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，換句話說，大約是一個典型智能手機的天線大小。

在納米尺度上建造和測試等離子天線比較容易，因為每個天線都非常小，制作也非常精確。如果一個或多個天線不工作，可能會毀掉整個陣列。如果試圖創(chuàng)建毫米級或厘米級系統(tǒng)，單個天線出現(xiàn)缺陷的幾率自然會上升。

Mikkelsen的團隊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，同時還在一個相對較大的區(qū)域上工作，以在其他維度創(chuàng)建整個陣列。Mikkelsen說，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)可以獲得非常精細的細節(jié)，但不會縮放。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器可能是什么樣的基本問題還不清楚，他們對于推測利用這種天線的光通信系統(tǒng)最終會有多快還很猶豫。但很明顯，要想與無線電領(lǐng)域的尖端競爭，速度就必須快。無線電系統(tǒng)已經(jīng)達到每秒100千兆字節(jié)。如果說任何一個光通信系統(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研究，但Mikkelsen和她的實驗室并沒有完全放棄，他們已經(jīng)在考慮接下來會發(fā)生什么了 -- 一旦熒光染料捕捉到并發(fā)出光，就可以更好地對其進行濃縮，并確保末端探測器盡可能精確。

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：IEEE電氣電子工程師學(xué)會】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯:haq