等离子纳米天线：首次支持可见光波长无线通信

（图片来源于：波士顿学院）  

引言

光通信技术，未来将广泛依靠芯片来实现。但是，目前的无线光通信大多在近红外波段，而如果要使设备更加小型化，则需考虑使用可见光，因为其波长更小。然而，来自波士顿学院的研究团队，开发了首个纳米级无线通信系统，能够在可见光波段操作，极好的控制天线发送和接受表面等离子激元。

下一代无线光通信技术的瓶颈

下一代光通信技术，将会是高速、高效、组件足够小、可从计算机芯片级别来实现。然而，采用这种芯片级的通信，最大的障碍就是：收发电磁波的无线电设备的尺寸和微波频率。这些是现代无线通信系统的基础。相对较长的波长，影响了未来设备的小型化。

科学家们尝试通过利用更小波长的光学通信应用，例如太赫兹和可见光频率，来绕过这些限制。

（图片来源于：波士顿学院）

原理简介

来自波士顿学院的研究团队，开发了首个纳米级无线通信系统，能够在可见光波长操作，使用天线发送和接受表面等离子激元，并且进行高度控制。团队在最近的《自然》杂志的科学报告中发表了他们的文章。更进一步的说，设备支持“平面内”配置，一种在单通路上的两路信息传输和恢复。

根据这个项目的发起者，论文合著者Juan M. Merlo 博士后研究员的说法，设备穿越几个波长完成通信，使用扫描光学显微术完成测试。这项研究超过了近场的范围，至少差不多四倍波长，是真正的远场通信，也是几乎我们日常使用的设备的通信基础，从手机到汽车，依赖于远场通信。

表面等离子激元

表面等离子激元，是指当光波（电磁波）入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。

（图片来源于：波士顿学院）

技术所面临的挑战

这种新的纳米天线，并不是首个这种类型的天线，但是重要的是，它使得一群光子在单个路径上传播。这种方案两路信息传输通过单行光子进行传输。之前，保持电磁波在单个路径发生和接受，是十分困难的。战胜这个挑战是基于芯片系统的高速通信的重要一步。

研究人员，尝试利用这些表面等离子激元的亚波长能力，开发金属结构，包括等离子天线。但是，一直存在一个问题，就是无法完成“内嵌的”电磁辐射发射和接收。

（图片来源于：波士顿学院）

研究团队采用的方法

波士顿学院的团队，开发了一种设备，可以通过三步转化工艺，将表面等离子激元转变为可以传输的光子，然后当接收端可以进行接收时，再将基本电磁粒子转化成表面等离子激元。

（图片来源于：波士顿学院）

表面等离子激员新型控制方法的重点，就是在电磁波和设备的银表面之间创建一小层空气间隙。团队通过移除玻璃衬底的一部分，减少了物质对于光子传输的破坏性的拉动。对于那个间隙的扩大和缩小，是优化设备的关键。

研究的意义

基于硅的光学技术，已经出现了好多年了。传统的硅波导，因为色散减少了信息传输速率。新的设备，却克服了这个障碍，利用表面等离子激元，在银表面传输速度达到光速的90%到95%，光子在天线间则以光速传播。

相比之前的等离子波导技术，设备可以将信息传输速度提升60%，相对于等离子纳米波导，速度可提升50%。这种等离子天线，可以相互通过光子传输进行通信，且效率很高，两个天线之间的能量损耗降低了50%，对于其他架构来说，这是显著的性能提升。

这项研究标志着现有的无线通信系统，迈向了纳米版本和可见光频率的重要一步。这种芯片系统，可以用于高速通信，高效等离子波导，和平面内的电路开关（一种目前用于液晶显示器的工艺）。

参考资料

【1】http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-08/bc-anw082516.php

【2】www.nature.com/articles/srep31710

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