Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology stellen een methode voor om nauwkeurig het ruisniveau te voorspellen dat wordt veroorzaakt door de versterking van fotonische en plasmonische signalen in opto-elektronische circuits op nanoschaal. In hun onderzoek gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast , de wetenschappers beschrijven een benadering die kan worden gebruikt om de uiteindelijke gegevensoverdrachtsnelheden in de opkomende opto-elektronische microprocessors te evalueren en fundamentele beperkingen op de bandbreedte van nanofotonische interfaces te ontdekken.

Oppervlakteplasmonpolaritonen zijn collectieve elektronenoscillaties op een metalen oppervlak gekoppeld aan een elektromagnetisch veld. Een oppervlakteplasmon kan worden gezien als een gecomprimeerd lichtkwantum, en dat verklaart waarom plasmonische apparaten veelbelovend zijn voor veel toepassingen:ze zijn bijna net zo compact als nano-elektronische componenten, maar op het zelfde moment, ze maken gegevensoverdrachtsnelheden mogelijk die tot vier orden van grootte hoger zijn dan bij elektrische draden. Zelfs een deel van de elektrische verbindingen op een chip vervangen door plasmonische (nanofotonische) componenten zou een broodnodige boost geven aan de prestaties van de microprocessor.

Het belangrijkste obstakel waarmee plasmonics momenteel wordt geconfronteerd, is signaalverzwakking. Door de hoge verliezen oppervlakteplasmonen kunnen zich alleen over lange afstanden voortplanten in zogenaamde actieve plasmonische golfgeleiders. Dergelijke golfgeleiders leiden niet alleen het plasmonische signaal van de zender naar de ontvanger, maar versterken het ook met behulp van de energie van de elektrische stroom die door het apparaat vloeit. Deze toegevoegde energie compenseert signaalverliezen en zorgt ervoor dat oppervlakteplasmonen zich vrij langs de golfgeleider kunnen voortplanten. net zoals de energie die door een batterij wordt geleverd een kwartsklok laat tikken.

Echter, er is een fundamenteel probleem in verband met signaalversterking en verliescompensatie. Elke versterker verhoogt niet alleen de amplitude van de ingang, maar voegt ook enkele ongewenste willekeurige signalen toe. Natuurkundigen noemen deze signalen ruis. Volgens de wetten van de thermodynamica, het is onmogelijk om alle ruis uit een systeem te verwijderen. De vervorming van het originele signaal wordt grotendeels bepaald door ruis, die de gegevensoverdrachtsnelheden fundamenteel beperkt en fouten veroorzaakt in de ontvangen bits als informatie met hogere snelheden wordt overgedragen. Om de gegevensoverdrachtsnelheid te verhogen, de signaal-ruisverhouding moet worden verbeterd. Het belang van deze verhouding is duidelijk voor iedereen die de ervaring heeft gehad om met iemand in een drukke straat te praten of af te stemmen op een radiostation.

"Ruis speelt een sleutelrol in bijna de helft van alle apparaten in onze huizen, van mobiele telefoons en televisies tot de glasvezelkanalen die de ruggengraat vormen van het snelle internet. Signaalversterking verlaagt onvermijdelijk de signaal-ruisverhouding. In feite, hoe meer versterking een versterker levert, of, in ons geval, hoe groter het signaalverlies dat moet worden gecompenseerd, hoe hoger het geluidsniveau dat het produceert. Dit probleem is vooral uitgesproken in plasmonische golfgeleiders met versterking, " zegt Dmitry Fedyanin.

Een recente studie van Fedyanin en Andrey Vyshnevyy gepubliceerd in: Fysieke beoordeling toegepast behandelt een bepaald soort ruis:de fotonische ruis die wordt geproduceerd wanneer plasmonische signalen worden versterkt in halfgeleiderapparaten. De belangrijkste oorzaak is de zogenaamde spontane emissie. Wanneer een fotonisch signaal wordt versterkt, de kracht van de optische golf neemt toe als gevolg van overgangen van elektronen van hogere naar lagere energietoestanden - het verschil in energie tussen de twee energietoestanden wordt vrijgegeven als lichtquanta. Deze emissie kan zowel gestimuleerd als spontaan zijn.

Terwijl de gestimuleerde emissie het signaal versterkt, de spontane emissie produceert willekeurige quanta van verschillende energieën, d.w.z., geluid met een breed spectrum. Ruis kan worden waargenomen als willekeurige fluctuaties in het signaalvermogen als gevolg van de interferentie van frequentiecomponenten van het signaal en van de spontane emissie (dit fenomeen staat bekend als "beat"). Elke toename van de versterking die door een versterker wordt geleverd, verhoogt het ruisniveau en verbreedt de emissiespectra, zowel gestimuleerd als spontaan. De toepasbaarheid van de gevestigde benaderingen van kwantumoptica, die bedoeld zijn om de interactie van licht met individuele atomen te beschrijven, neemt af naarmate de spectra in het bestudeerde systeem breder worden. Om het geval van high-gain versterking op nanoschaal aan te pakken, de onderzoekers moesten het werk eigenlijk helemaal opnieuw beginnen.

"We moesten de kloof overbruggen tussen drie verschillende gebieden in de natuurkunde die elkaar zelden kruisen:kwantumoptica, halfgeleiderfysica en opto-elektronica. We hebben een theoretisch raamwerk ontwikkeld dat fotonische ruis kan beschrijven in structuren met actieve media met een breed versterkingsspectrum. Hoewel deze benadering aanvankelijk werd bedacht voor plasmonische golfgeleiders met versterking, het kan zonder verandering worden toegepast op alle optische versterkers en soortgelijke systemen, ' zegt Fedyanin.

Ruis veroorzaakt fouten tijdens verzending, die de effectieve gegevensoverdrachtsnelheid aanzienlijk vermindert vanwege de noodzaak om foutcorrectie-algoritmen te implementeren. Wat hardware betreft, foutcontrole vereist ook extra on-chip componenten die correctie realiseren, waardoor nieuwe apparaten moeilijker te ontwerpen en te vervaardigen zijn.

"Als we de ruiskracht in een nanofotonisch communicatiekanaal kennen, evenals zijn spectrale kenmerken, het is mogelijk om de maximale snelheid van gegevensoverdracht langs dat kanaal te evalueren. Verder, we kunnen manieren identificeren om de hoeveelheid ruis te verminderen door bepaalde regimes van apparaatbediening te kiezen en optische en elektrische filtertechnieken te gebruiken, " voegt Vyshnevyy toe.

De voorgestelde theorie suggereert een nieuwe klasse apparaten die de voordelen van elektronica en fotonica op dezelfde chip combineren. In zo'n chip, plasmonische componenten zouden worden gebruikt voor ultrasnelle communicatie tussen processorkernen en registers. Hoewel signaalverzwakking eerder werd beschouwd als het belangrijkste nadeel van de voorgestelde chip, de recente studie van Russische onderzoekers laat zien dat zodra het signaalverlies is gecompenseerd, er is een techniek nodig om het probleem van geluid aan te pakken. Anders, het signaal kan eenvoudig worden overstemd door spontane emissieruis, waardoor de chip vrijwel onbruikbaar wordt.

De berekeningen van de onderzoekers tonen aan dat een actieve plasmonische golfgeleider met een doorsnede van slechts 200 × 200 nanometer kan worden gebruikt om signalen over een afstand van vijf millimeter te verzenden. Dit lijkt misschien niet veel in termen van de afstanden waarmee we in het dagelijks leven te maken hebben, maar dit aantal is eigenlijk nogal typerend voor moderne microprocessors. Wat betreft de gegevensoverdrachtsnelheden, ze zouden 10 Gbit/s per spectraal kanaal overschrijden, d.w.z., een datacommunicatiekanaal dat een specifieke golflengte van licht gebruikt. Om nog maar te zwijgen van het feit dat een enkele golfgeleider op nanoschaal gelijktijdig kan worden gebruikt door enkele tientallen van deze spectrale kanalen als de golflengte-verdelingsmultiplexing (WDM) -technologie wordt gebruikt, wat een standaard is in alle optische communicatielijnen, inclusief breedbandinternet. Om dat in perspectief te plaatsen, de maximale snelheid van gegevensoverdracht via een elektrische verbinding (een koperen geleider) van vergelijkbare afmetingen is slechts 20 Mbit/s, wat minstens 500 keer langzamer is!

De wetenschappers ontdekten hoe het ruisvermogen en de ruiskarakteristieken afhankelijk zijn van de parameters van plasmonische golfgeleiders met versterking en toonden aan hoe het ruisniveau kan worden verlaagd om de maximale bandbreedte van de nanofotonische interface te garanderen. Ze hebben bewezen dat het mogelijk is om een ​​miniatuurformaat en een laag aantal fouten te combineren met een hoge gegevensoverdrachtsnelheid en een relatief hoge energie-efficiëntie in één apparaat, een "plasmonische doorbraak" in de micro-elektronica aankondigen die in de komende 10 jaar zou kunnen komen.