Het streven naar technologieën van de volgende generatie legt een premie op het produceren van verhoogde snelheid en efficiëntie met componenten die zijn gebouwd op een schaal die klein genoeg is om op een computerchip te functioneren.

Een van de belemmeringen voor vooruitgang in "on-chip" communicatie is de grootte van de elektromagnetische golven op radio- en microgolffrequenties, die de ruggengraat vormen van de moderne draadloze technologie. De relatief grote golven handboeien verdere miniaturisatie.

Wetenschappers die deze beperkingen proberen te overtreffen, onderzoeken het potentieel van optisch transport dat gebruik maakt van de eigenschappen van veel kleinere golflengten, zoals die in de terahertz, infrarood en zichtbare frequenties.

Een team van onderzoekers van Boston College heeft het eerste draadloze communicatiesysteem op nanoschaal ontwikkeld dat werkt op zichtbare golflengten met behulp van antennes die oppervlakteplasmonen verzenden en ontvangen met een ongekende mate van controle, het team meldt in de nieuwste editie van het tijdschrift Nature's Wetenschappelijke rapporten .

Verder, het apparaat biedt een "in-plan" configuratie, een gewaardeerde klasse van tweerichtingsoverdracht en herstel van informatie in een enkel pad, volgens de studie, uitgevoerd door een team in het laboratorium van Evelyn J. en Robert A. Ferris, hoogleraar natuurkunde Michael J. Naughton.

De bevindingen markeren een belangrijke eerste stap naar een nanoschaalversie - en zichtbaar frequentie-equivalent - van bestaande draadloze communicatiesystemen, volgens de onderzoekers. Dergelijke on-chip-systemen kunnen worden gebruikt voor snelle communicatie, hoog rendement plasmonische golfgeleiding en in-plane circuit switching - een proces dat momenteel wordt gebruikt in liquid crystal displays.

Het apparaat bereikte communicatie over verschillende golflengten in tests met behulp van optische microscopie met nabije veldscanning, volgens co-auteur Juan M. Merlo, een postdoctoraal onderzoeker die het project initieerde.

"Juan was in staat om het voorbij het nabije veld te duwen - minstens tot vier keer de breedte van een golflengte. Dat is echte verre-veldtransmissie en bijna elk apparaat dat we dagelijks gebruiken - van onze mobiele telefoons tot onze auto's - vertrouwt op verre-veldtransmissie, ' zei Naughton.

Het apparaat zou de overdracht van informatie met maar liefst 60 procent kunnen versnellen in vergelijking met eerdere plasmonische golfgeleidingstechnieken en tot 50 procent sneller dan plasmonische nanodraadgolfgeleiders, meldt het team.

Oppervlakteplasmonen zijn de oscillaties van elektronen die zijn gekoppeld aan het grensvlak van een elektromagnetisch veld en een metaal. Onder hun unieke vaardigheden, oppervlakteplasmonen kunnen energie op dat grensvlak beperken door in ruimtes te passen die kleiner zijn dan de golven zelf.

Onderzoekers die deze subgolflengte-mogelijkheden van oppervlakteplasmonen proberen te benutten, hebben metalen structuren ontwikkeld, inclusief plasmonantennes. Maar een hardnekkig probleem was het onvermogen om "in-line" inperking van de emissie en verzameling van de elektromagnetische straling te bereiken.

Het BC-team ontwikkelde een apparaat met een driestaps-conversieproces dat een oppervlakteplasmon bij transmissie in een foton verandert en dat elementaire elektromagnetische deeltje vervolgens weer omzet in een oppervlakteplasmon wanneer de ontvanger het oppikt.

"We hebben een apparaat ontwikkeld waarbij plasmonische antennes met elkaar communiceren met fotonen die ertussen zenden, "zei Naughton. "Dit wordt gedaan met een hoge efficiëntie, met 50 procent minder energieverlies tussen de ene antenne en de volgende, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van vergelijkbare architecturen."

Centraal in de hernieuwde controle van de oppervlakteplasmonen was het creëren van een kleine luchtspleet tussen de golven en het zilveren oppervlak van het apparaat, zei Merlo, die promoveerde aan het Mexico's National Institute of Astrophysics, Optica en elektronica. Door een deel van het glassubstraat te verwijderen, het team verminderde de verstorende aantrekkingskracht van het materiaal op de fotonen in transmissie. Het vergroten en verkleinen van die kloof bleek cruciaal voor het afstemmen van het apparaat.

Met traditionele silicium golfgeleiders, dispersie vermindert de overdrachtssnelheid van informatie. Zonder die belemmering het nieuwe apparaat maakt gebruik van het vermogen van oppervlakteplasmonen om met 90 tot 95 procent van de lichtsnelheid op een zilveren oppervlak te reizen en fotonen die met hun inherente lichtsnelheid tussen de antennes reizen, zei Merlo.

"Op silicium gebaseerde optische technologie bestaat al jaren, " zei Merlo. "Wat we doen is het verbeteren om het sneller te maken. We ontwikkelen een tool om siliciumfotonica sneller te maken en de communicatiesnelheid aanzienlijk te verbeteren."