撰稿 | Cyan (英国布里斯托大学 博士生)
在这些新兴应用的背后，无不体现着科技工作者的一个美好愿景：摆脱光纤的物理限制，实现光学信号的空间传递。
为实现这一夙愿，等离子体超表面（名词释义>）, 一种周期性的散射元件阵列结构，其尺寸和周期都比工作波长小，作为改善空间光探测器性能的破冰船，为世界诸多研发结构所青睐。
历史起源
早在1902年，Robert W. Wood就发现亚波长金属光栅的反射光谱有暗区。这种不寻常的现象被称为伍德异常，并导致了表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)的发现，是一种激发在金属表面的特殊电磁波。随后, Levi-Civita关系表明亚波长厚的薄膜可以导致电磁边界条件的剧烈变化。
近年来，一些新的研究, 如超宽带相干完全吸收, 表明0.3 nm厚的薄膜可以吸收射频、微波和太赫兹波段的所有电磁波。在光学应用中，抗反射涂层也可以看作是一个简单的超表面。
近年来，诸多新型超表面也被提出，包括：
图 2. 等离子体超表面示例
图源：Light: Science & Applications
图译：Cyan / 撰稿人
技术瓶颈
鉴于可见光和近红外光可以比无线电波(WiFi、蓝牙等)携带更多的信息, 2016年, 脸书(Facebook)子公司Internet.org的连接实验室(Connectivity Lab)发明了一种可用于自由空间光通信的新型光电探测器。
如果一个探测器能同时捕捉来自不同方向的光，其探测效率会大幅提高。问题是：增大光接收器的尺寸也会使它变慢。
为了寻找一种方法来加速该设计, 连接实验室寻求与杜克大学的Maiken H. Mikkelsen团队合作。希望可以使用等离子体技术（在过去的十年里，Mikkelsen一直是该领域的领军人物），可以将光捕捉在微小的纳米立方体表面，以提高设备传输和吸收光的速度和效率，使其提高一千倍以上的技术，以实现目标。
面对挑战，Mikkelsen表示：“连接实验室的原型受限于所使用的荧光染料的发射寿命，其效率低且速度慢。为了提高效率，我先前关于在荧光系统中实现超快响应时间的工作为研究人员提供了潜在的答案。然而，该研究只证明了这些效率在单一的纳米级系统上是可能的，是否能拓展到厘米级的探测器，仍是未知。”
解决方案
为实现大尺寸高速率的光电探测器设计方案，Mikkelsen团队经过大量研究工作，近期以 Low-loss, centimeter-scale plasmonic metasurface for ultrafast optoelectronics 为题在 Optica 上发表。
Mikkelsen团队创建了一个直径为1.2厘米的等离子体纳米间隙结构，该结构由胶体合成的银纳米立方体和银质薄膜组成。夹在两个金属层之间的是一块7纳米厚的聚合物平板和多层荧光染料，以提高效率。
入射到该结构上的光激发了局部表面等离子体激元，即金属中自由电子的集体振荡。这导致局部电磁场增强，从而改变了染料周围的环境。染料在被入射光激发后非常迅速地发光。
图 3. 厘米级等离子体超表面结构示意图
图源：Optica
图译：Cyan / 撰稿人
纳米立方体与银质薄膜相互作用，增强了荧光染料的光子能力，导致整体荧光性能增加了910倍，发射效率提高了133倍。此外，超高速天线还可以捕获120°视场的光，并将其转换为定向源，整体效率高达30%。
Traverso（本文第一作者）表示：“众所周知，等离子体效应效率会随着效应范围的增加而大幅下降。但我们已经证明，可以利用纳米设备的超快激发特征，并在宏观尺寸上重现它。而且我们的方法很容易在制造设备上复现。只需使用移液器和培养皿，在一小时内便可创造出大规模的等离子体超表面。事实上，这一过程本质上只是简单的基于金属薄膜的液体沉积。”
本文演示的整体效果是：能够捕捉到来自大视角的光，并将其导入一个窄锥结构中而不以牺牲处理速度为代价。为了推进这项技术，研究人员需要将几个等离子体器件组装在一起，以覆盖360°视角。虽然还有工作需要完善，但这为后续研究提供了一条可行的前进道线。
诚如Mikkelsen所说:“在本次演示中，我们的结构有效地将光子从广角传递到窄角，而不影响速度；我们没有像连接实验室那样完成整个高速光电探测器的制作。但我们解决了设计上的主要瓶颈，未来的应用非常令人兴奋!”
后续彩蛋：自由空间光通信
前文所提到的，为摆脱传统光纤的物理限制，自由空间光通信（Free Space Optics，FSO）是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。该技术结合了光纤通信与微波通信的优点，既可以大容量、高速率传输，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域均投入大量人力物力，并取得了很大进展。
目前自由空间光通信的主要应用场景包括：
随着人工智能, 无人驾驶, 智慧城市等应用的不断落地，对通信设备吞吐量的需求将会呈爆炸式的增长，FSO作为一种便捷，高效，低成本的连接方式，必然会在建设过程中扮演重要校色。
Andrew J. Traverso, Jiani Huang, Thibault Peyronel, Guoce Yang, Tobias G. Tiecke, and Maiken H. Mikkelsen, "Low-loss, centimeter-scale plasmonic metasurface for ultrafast optoelectronics," Optica 8, 202-207 (2021).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.400731
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