突破电子光子信息技术革命的瓶颈

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华盛顿大学的研究人员与苏黎世联邦理工大学、普渡大学和弗吉尼亚州立大学的研究人员合作,实现了光通信突破,这可能会使信息技术发生革命性的变化。

他们创造了一种比人类头发小的微型装置,它将电子比特(数字语言的0和1s)转换成光或光子比特,其速度比现有技术快10倍。

“与信息技术的早期发展一样,这会极大地影响我们的生活方式,”UW化学教授Larry Dalton和光子学研究的领导者说。

这些新的电光器件接近当前电子电路元件的尺寸,并且对于将光子学和电子学集成在单个芯片上是重要的。这项新技术还涉及利用一个粒子,一个等离子激元,它具有介于电子和光子之间的性质。这种混合粒子技术被称为等离子体激元。

苏黎世联邦理工大学的研究生Christian Haffner和该论文的首席作者说:“这个装置已经建成了一个等离子体信号调制器。”“这是不寻常的,因为传统的实现依赖于光子,而不是等离子体。事实上,研究人员避免等离子体激元,因为等离子体技术在所有行业中都被称为一种以最高光学损耗为代价的技术。然而,这是迄今为止最壮观的发现——已经发现了使用等离子激元而不遭受如此高损失的伎俩。

为了提高计算、电信、传感和控制技术的信息处理能力,数据需要在很长的距离上与高带宽通信,而不需要信号(信息)降解,或者消耗太多的能量和产生过多的热量。这就是《自然》杂志所描述的新技术。称为电光调制器,该装置将电信号转换成能够在玻璃纤维光缆上或通过卫星和电池塔通过空间无线传输的光学信号。这必须通过使用能够处理大量数据的非常小的设备以优异的能效来完成。

“该装置必须非常灵敏,能够对非常小的电场作出响应。如果需要控制设备的字段很小,那么功耗也很低。这一点很重要,因为能源效率对所有应用都至关重要,”合著者达尔顿说,“你想避免在计算或电信应用中产生热量和信息退化。”

这一最新进展是在2000,达尔顿和一组UW和南加州大学的研究人员首次引进新设计的光电聚合物或塑料,它们被集成到厘米长的设备中,可以用小于1V的电压操作。带宽超过100千兆赫。不幸的是,这些器件比电子数据生成元件大得多,不适合在单个芯片上集成电子器件和光子学元件。

然而,过渡到等离子体,这个足迹问题现在已经解决了。这一切都始于一个由科学家和工程师组成的国际团队着手,通过将更好的有机电光材料与等离子体技术相结合来改进装置。当光入射到金属表面,如金时,产生等离子体激元。光子然后把它们的一部分能量传递给金属表面上的电子,从而电子振荡。这些新的光子电子振荡被称为等离子体激元。与等离子体激元一起工作可以极大地减少光路的大小和带宽的操作,这是光子学的许多倍。与2000个发现相比,设备的带宽增加了几乎10倍,同时将能量需求减少了近1000,这转化为加热的减少。

然而,阿基里斯等离子体的后跟被称为光损耗。虽然传输距离的信号劣化不如电子器件那么差,但与等离子体相关的信号退化比光子学要差得多。

达尔顿说:“ETH和普渡大学的研究人员构想了一种优雅的器件结构,解决了等离子体现象的损失,并通过使用等离子体和光子学相结合,实现了与所有光子调制器相媲美的损耗。”

他称该装置是一种电子、光子学和等离子体技术的完美结合,它使用一种有机电光材料,允许所有信号处理选项的集成。

国家科学研究院材料研究司司长Linda S. Sapochak说:“这是等离子体材料和有机电活性材料的两次重大进展,通过材料预测、设计、合成和性能优化之间的创造性迭代成为可能。”基金会资助了这项研究。

电子和光子学在芯片上的集成已被公认为信息技术发展的一个关键的下一个十年。信息技术是我们如何感知我们的世界和处理和沟通信息的科学。

新器件的应用可分为基于光的波长的两类:计算中的光纤通信和光互连在光频率(红外光)上利用光(光子),而应用例如雷达和无线电信。通信在射频和微波(长波长光)区域中使用电磁辐射。

在电信和计算空间中,电光获取电子设备(例如,计算机处理器)中产生的信息,并将其转换成通过光纤电缆或通过无线传输到另一电子设备的光信号。

“从这个意义上说,你可能认为电光是信息高速公路上的斜坡,”达尔顿说。

电光也对许多其他应用,如雷达和GPS来说是至关重要的。它代表了关键的传感器技术,包括嵌入式网络传感等应用。例如,电光对于自主车辆的许多部件和诸如建筑物和桥梁之类的基础设施元件是至关重要的。该装置与数字和模拟信息处理相关。

合著者包括苏黎世联邦理工大学电磁场研究所的Daniel Chelladurai、Yuriy Fedoryshyn、Arne Josten、Benedikt Baeuerle、Wolfgang Heni、Tatsuhiko Watanabe、童翠、童翠和Juelg Luththod;和Vladimir Shalaev,普渡大学和砖纳米技术中心;和Nathaniel Kinsey,弗吉尼亚州立大学。

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