超表面在无线光互联网中的应用

图1 无光纤光学WiFi天线：银纳米立方体位于银基底上方几纳米处，中间是荧光染料。（杜克大学Andrew Traverso供图）

新冠病毒的全球肆虐暴露了一系列的社会不平等现象，这其中就包括所谓的“数字鸿沟”。在封城、居家禁令时期，网络就如同人们的生命线，人们依赖于网络居家办公，与亲人联络。然而世界上仍有37亿人（其中大部分位于经济不发达的国家）无法访问互联网。

对此，Facebook Connectivity实验室提出了一种方案，使用太阳能无人机以及自由空间光通信技术，将互联网带到各个偏远地区。在杜克大学研究人员的帮助下，研究团队制造了一种厘米量级的等离子体超表面，能够以前所未有的高效率实现大面积、超快的探测器，从而应用于此类应用中。此项研究结果发表于Optica，doi: 10.1364/ Optica .400731。

寻找理想探测器

在没有光纤网络基础设施的情况下，自由空间光通信不失为一种高数据速率发送/接收信息的手段。自由空间光通信的理想探测器应具有较大的有效面积，响应快速且保真度高。大多数此类系统采用的是半导体光电二极管，但半导体光电二极管的响应时间受探测器大小的限制，严重影响了其性能。

虽然半导体二极管可以与折射光学和荧光染料相结合，但是这些方法往往会降低探测器的视野和整体效率。Facebook Connectivity实验室的研究人员们决定尝试一种不同的方法——使用等离子体增强发光染料。当时仅在小规模内做了实验。

杜克大学电子、计算机工程和物理学副教授Maiken Mikkelsen说：“Facebook Connectivity实验室联系了我们，询问我们之前关于超快定向自发辐射的研究结果是否可以用于自由空间光通信中。”

前所未有的高效率

Mikkelsen及其同事制造了一个直径1.2厘米的等离子体Nanogap结构，此结构由胶体合成的银纳米立方体和银薄膜组成。两层金属层之间有一层厚7毫米的聚合物层和多层荧光染料，以提高效率。

入射至此结构的光会激发局部的表面等离子体激元，即金属中自由电子的集体振荡。表面等离子体激元的激发使得局部电磁场增强，从而改变染料周围的环境。在被入射光激发后，染料会迅速发光。

实验表明，大面积的超表面使荧光强度显著提高了910倍，自发辐射速率提高了133倍。总之，它成功地将3 dB带宽、超过14 GHz的快速调制、宽入射角光线转换为定向光源，且效率高达30%。

自由空间的光互联网

研究人员表示，这是首次在如此大面积的厘米范围内实现此类等离子体效应。这一结果标志着等离子体技术发展的重要一步。下一步，研究人员计划将几个等离子体器件组装在一起，集成一个覆盖360度视角的光电探测器。

“等离子体结构在增强荧光强度、速度方面发挥着重要作用，不仅适用于微小的纳米腔中，而且适用于宏观、晶圆尺度的区域。这说明着等离子体技术正在迅速成熟。”Mikkelsen说。“等离子体结构将作为快速光源和全方位探测器应用于自由空间光通信中，此外，还将在生物传感等领域大显身手。”