At bryde flaskehalse til den elektronisk-fotoniske informationsteknologirevolution

Forskere ved University of Washington, arbejder med forskere fra ETH-Zürich, Purdue University og Virginia Commonwealth University, har opnået et optisk kommunikationsgennembrud, der kan revolutionere informationsteknologien.

De skabte en lille enhed, mindre end et menneskehår, der oversætter elektriske bits (0 og 1 af det digitale sprog) til lys, eller fotoniske bits, med hastigheder 10s gange hurtigere end nuværende teknologier.

"Som med tidligere fremskridt inden for informationsteknologi, dette kan dramatisk påvirke den måde, vi lever på, " sagde Larry Dalton, en UW kemiprofessor emeritus og leder inden for fotonikforskning.

Disse nye elektro-optiske enheder nærmer sig størrelsen af ​​nuværende elektroniske kredsløbselementer og er vigtige for at integrere fotonik og elektronik på en enkelt chip. Den nye teknologi involverer også udnyttelse af en partikel, en plasmon polariton, der har egenskaber mellem elektroner og fotoner. Denne hybridpartikelteknologi kaldes plasmonics.

Resultaterne blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur .

"Enheden er bygget som en plasmonisk modulator, sagde Christian Haffner, en kandidatstuderende ved ETH-Zürich og hovedforfatter af papiret. "Dette er usædvanligt, da den traditionelle implementering er afhængig af fotonik frem for plasmonik. Faktisk, forskere undgår plasmonik, da plasmonics er kendt i alle industrier som en teknologi, der kommer til prisen for de største optiske tab. Alligevel - og dette er langt det mest spektakulære fund - er der fundet et trick til at bruge plasmonics uden at lide af så store tab."

For at øge informationshåndteringskapaciteten ved computere, telekommunikation, sanse- og kontrolteknologier, data skal kommunikeres med høj båndbredde over store afstande uden at signaler (information) forringes, eller bruger for meget energi og genererer for meget varme. Det er her den nye teknologi beskrevet i Natur artiklen passer ind. Kaldes en elektro-optisk modulator, enheden konverterer elektriske signaler til optiske signaler, der er i stand til at rejse enten over glasfiberoptiske kabler eller trådløst gennem rummet via satellit- og mobiltårne. Dette skal opnås med fremragende energieffektivitet ved brug af ekstremt små enheder, der er i stand til at behandle enorme mængder data.

"Enheden skal være meget følsom, i stand til at reagere på meget små elektriske felter. Hvis de felter, der er nødvendige for at styre enheden, er små, så er strømforbruget også lavt. Dette er vigtigt, da energieffektivitet er afgørende for alle applikationer, "medforfatter Dalton sagde, tilføjer, "Du vil undgå at generere varme og informationsforringelse i computer- eller telekommunikationsapplikationer."

Dette seneste fremskridt følger efter et gennembrud i 2000, da Dalton og et team af forskere fra UW og University of Southern California for første gang introducerede nydesignede elektro-optiske polymerer eller plastik, som blev integreret i centimeter lange enheder, der kunne betjenes med mindre end en volt og med båndbredder på over 100 gigahertz. Desværre, disse enheder var meget større end elektroniske datagenererende elementer og var ikke egnede til integration af elektronik- og fotonikelementer på en enkelt chip.

Imidlertid, overgang til plasmonics, dette fodaftryksproblem er nu løst. Og det hele startede, da et internationalt hold af videnskabsmænd og ingeniører satte sig for at forbedre enheden ved at integrere bedre organiske elektro-optiske materialer med plasmonics. Plasmoner dannes, når lys rammer en metaloverflade, såsom guld. Fotoner videregiver derefter en del af deres energi til elektronerne på den metalliske overflade, således at elektronerne svinger. Disse nye foton-elektronoscillationer kaldes plasmonpolaritoner. Arbejde med plasmonpolaritoner tillader en dramatisk reduktion i størrelsen af ​​optiske kredsløb og båndbreddedrift mange gange større end fotonik.

Sammenlignet med opdagelsen i 2000, enhedernes båndbredde steg med næsten en faktor 10, mens energibehovet blev reduceret med næsten 1, 000 og dette udmønter sig i en reduktion i opvarmningen.

Plasmonikkens akilleshæl, imidlertid, kaldes optisk tab. Mens signalforringelse med transmissionsafstanden ikke er så slem som med elektronik, signalnedbrydning med plasmonik er meget værre end med fotonik.

"ETH og Purdue-forskerne udtænkte en elegant enhedsarkitektur, der adresserer problemet med plasmonisk tab og opnår tab, der kan sammenlignes med det for alle-fotoniske modulatorer ved at bruge en kombination af plasmonik og fotonik, " sagde Dalton.

Han kaldte enheden en elegant integration af elektronik, fotonik og plasmonik, ved at bruge et organisk elektro-optisk materiale, der tillader integration af alle signalbehandlingsmulighederne.

"Dette er et dobbelt betydeligt fremskridt inden for plasmonik og organiske elektroaktive materialer, muliggjort gennem kreativ iteration mellem forudsigelse af materialer, design, syntese, og ejendomsoptimering, " sagde Linda S. Sapochak, afdelingsdirektør for materialeforskning ved National Science Foundation, som var med til at finansiere forskningen.

Integrationen af ​​elektronik og fotonik på chips har været anerkendt i mere end et årti som et kritisk næste skridt i udviklingen af ​​informationsteknologi.

Informationsteknologi er videnskaben om, hvordan vi fornemmer vores verden og både behandler og kommunikerer denne information.

Anvendelserne af den nye enhed kan opdeles i to kategorier baseret på bølgelængden af ​​det anvendte lys:Fiberoptik, telekommunikation og optiske sammenkoblinger i computere udnytter lys (fotoner) ved optiske frekvenser (infrarødt lys), mens applikationer som radar og trådløs telekommunikation bruger elektromagnetisk stråling i radiofrekvens- og mikrobølge- (lang bølgelængde lys) områder.

I telekommunikations- og computerområdet, elektrooptik tager information genereret i en elektronisk enhed (f.eks. en computerprocessor) og omdanner den til lyssignaler, der bevæger sig over et fiberoptisk kabel eller via en trådløs transmission til en anden elektronisk enhed.

"I den forstand du tænker måske på elektro-optik som 'på-ramperne for informationsmotorvejen', " sagde Dalton.

Elektrooptik er også afgørende for mange andre applikationer såsom radar og GPS. Det repræsenterer kritisk sensorteknologi, herunder applikationer såsom indlejret netværksregistrering. For eksempel, elektro-optik er afgørende for mange komponenter i et autonomt køretøj og for overvågning af infrastrukturelementer såsom bygninger og broer. Enheden er relevant for både digital og analog informationsbehandling.