Et trådløst nanoskala kommunikationssystem via plasmoniske antenner

Stræben efter næste generations teknologier lægger en præmie på at producere øget hastighed og effektivitet med komponenter bygget i skalaer, der er små nok til at fungere på en computerchip.

En af hindringerne for fremskridt inden for "on-chip" kommunikation er størrelsen af ​​de elektromagnetiske bølger ved radio- og mikrobølgefrekvenser, som udgør rygraden i moderne trådløs teknologi. De relativt store bølger håndjern yderligere miniaturisering.

Forskere, der forsøger at overgå disse begrænsninger, undersøger potentialet ved optisk transport, der udnytter egenskaberne ved meget mindre bølgelængder, som dem i terahertz, infrarøde og synlige frekvenser.

Et team af forskere ved Boston College har udviklet det første trådløse kommunikationssystem i nanoskala, der fungerer ved synlige bølgelængder ved hjælp af antenner, der sender og modtager overfladeplasmoner med en hidtil uset grad af kontrol, teamet rapporterer i den seneste udgave af tidsskriftet Nature's Videnskabelige rapporter .

Desuden, enheden har en "in-plane" konfiguration, en værdsat klasse af tovejs informationsoverførsel og gendannelse på en enkelt vej, ifølge undersøgelsen, udført af et team i laboratoriet af Evelyn J. og Robert A. Ferris Professor i fysik Michael J. Naughton.

Resultaterne markerer et vigtigt første skridt mod en nanoskalaversion - og synlig frekvensækvivalent - af eksisterende trådløse kommunikationssystemer, ifølge forskerne. Sådanne on-chip-systemer kan bruges til højhastighedskommunikation, højeffektiv plasmonisk bølgeleder og omskiftning i kredsløbet i et plan - en proces, der i øjeblikket bruges i flydende krystaldisplays.

Enheden opnåede kommunikation på tværs af flere bølgelængder i test ved hjælp af optisk mikroskopi i nærheden af ​​feltet, ifølge hovedforfatter Juan M. Merlo, en postdoktorforsker, der startede projektet.

"Juan var i stand til at skubbe den ud over det nærmeste felt - mindst til fire gange bredden af ​​en bølgelængde. Det er sandt fjernfeltstransmission og næsten enhver enhed, vi bruger til daglig - fra vores mobiltelefoner til vores biler - afhænger på fjernfeltstransmission, "sagde Naughton.

Enheden kunne fremskynde overførslen af ​​oplysninger med op til 60 procent i forhold til tidligere plasmoniske bølgeledningsteknikker og op til 50 procent hurtigere end plasmoniske nanotrådbølgeledere, rapporterer holdet.

Overfladeplasmoner er svingninger af elektroner koblet til grænsefladen mellem et elektromagnetisk felt og et metal. Blandt deres unikke evner, overfladeplasmoner kan begrænse energi til denne grænseflade ved at passe ind i rum, der er mindre end selve bølgerne.

Forskere, der forsøger at udnytte disse subbølgelængdeegenskaber for overfladeplasmoner, har udviklet metalliske strukturer, herunder plasmoniske antenner. Men et vedvarende problem har været manglende evne til at opnå "in-line" indeslutning af emission og opsamling af den elektromagnetiske stråling.

BC-teamet udviklede en enhed med en tretrins konverteringsproces, der ændrer en overfladeplasmon til en foton ved transmission og derefter konverterer den elementære elektromagnetiske partikel tilbage til en overfladeplasmon, når modtageren opfanger den.

"Vi har udviklet en enhed, hvor plasmoniske antenner kommunikerer med hinanden med fotoner, der transmitterer mellem dem, "sagde Naughton." Dette gøres med høj effektivitet, med energitab reduceret med 50 procent mellem en antenne og den næste, hvilket er en betydelig forbedring i forhold til sammenlignelige arkitekturer. "

Centralt i den nyfundne kontrol af overfladeplasmonerne var oprettelsen af ​​et lille luftgab mellem bølgerne og enhedens sølvoverflade, sagde Merlo, som fik sin ph.d. ved Mexicos National Institute of Astrophysics, Optik og elektronik. Ved at fjerne en del af glassubstratet, teamet reducerede det forstyrrende træk af materialet på fotonerne i transmissionen. At udvide og indsnævre dette hul viste sig at være afgørende for at indstille enheden.

Med traditionelle siliciumbølgeledere, spredning reducerer informationsoverførselshastigheden. Uden den hindring, den nye enhed udnytter overfladeplasmons evne til at rejse med 90 til 95 procent af lysets hastighed på en sølvoverflade og fotoner, der bevæger sig mellem antennerne ved deres iboende lyshastighed, Sagde Merlo.

"Siliciumbaseret optisk teknologi har eksisteret i årevis, "sagde Merlo." Det, vi gør, er at forbedre det for at gøre det hurtigere. Vi udvikler et værktøj til at gøre silicon fotonik hurtigere og i høj grad forbedre kommunikationshastighederne. "