Onderzoekers van de Universiteit van Washington, werken met onderzoekers van de ETH-Zürich, Purdue University en Virginia Commonwealth University, hebben een doorbraak in optische communicatie bereikt die een revolutie teweeg kan brengen in de informatietechnologie.

Ze creëerden een klein apparaat, kleiner dan een mensenhaar, die elektrische bits (0 en 1 van de digitale taal) omzet in licht, of fotonische bits, met snelheden die 10 seconden sneller zijn dan de huidige technologieën.

"Net als bij eerdere ontwikkelingen in de informatietechnologie, dit kan een dramatische impact hebben op de manier waarop we leven, " zei Larry Dalton, emeritus hoogleraar scheikunde aan de UW en leider in fotonica-onderzoek.

Deze nieuwe elektro-optische apparaten benaderen de grootte van de huidige elektronische circuitelementen en zijn belangrijk voor het integreren van fotonica en elektronica op een enkele chip. De nieuwe technologie omvat ook het gebruik van een deeltje, een plasmonpolariton, dat eigenschappen heeft die tussen elektronen en fotonen liggen. Deze hybride deeltjestechnologie wordt plasmonica genoemd.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Het apparaat is gebouwd als een plasmonische modulator, " zei Christian Haffner, een afgestudeerde student aan ETH-Zürich en hoofdauteur van het artikel. "Dit is ongebruikelijk omdat de traditionele implementatie afhankelijk is van fotonica in plaats van plasmonica. onderzoekers vermijden plasmonica, aangezien plasmonica in de hele industrie bekend staat als een technologie die ten koste gaat van de hoogste optische verliezen. Toch - en dit is verreweg de meest spectaculaire bevinding - is er een truc gevonden om plasmonics te gebruiken zonder zulke hoge verliezen te lijden."

Om de informatieverwerkingscapaciteit van computers te vergroten, telecommunicatie, detectie- en besturingstechnologieën, gegevens moeten met hoge bandbreedte over grote afstanden worden gecommuniceerd zonder dat signalen (informatie) verslechteren, of te veel energie verbruiken en te veel warmte opwekken. Dat is waar de nieuwe technologie beschreven in de Natuur artikel past erin. Een elektro-optische modulator genoemd, het apparaat zet elektrische signalen om in optische signalen die kunnen reizen via glasvezelkabels of draadloos door de ruimte via satelliet en zendmasten. Dit moet worden bereikt met een uitstekende energie-efficiëntie met behulp van extreem kleine apparaten die enorme hoeveelheden gegevens kunnen verwerken.

"Het apparaat moet erg gevoelig zijn, in staat om te reageren op zeer kleine elektrische velden. Als de velden die nodig zijn om het apparaat te bedienen klein zijn, dan is het stroomverbruik ook laag. Dit is belangrijk omdat energie-efficiëntie van cruciaal belang is voor alle toepassingen, " co-auteur Dalton zei:toevoegen, "Je wilt voorkomen dat er warmte en informatiedegradatie ontstaat in computer- of telecommunicatietoepassingen."

Deze laatste vooruitgang volgt op een doorbraak in 2000 toen Dalton en een team van UW- en University of Southern California-onderzoekers voor het eerst nieuw ontworpen elektro-optische polymeren of kunststoffen introduceerden, die werden geïntegreerd in centimeters lange apparaten die konden worden bediend met minder dan een volt en met bandbreedtes van meer dan 100 gigahertz. Helaas, deze apparaten waren veel groter dan elektronische gegevensgenererende elementen en waren niet geschikt voor integratie van elektronica en fotonica-elementen op een enkele chip.

Echter, overgang naar plasmonica, dit footprintprobleem is nu opgelost. En het begon allemaal toen een internationaal team van wetenschappers en ingenieurs het apparaat wilde verbeteren door betere organische elektro-optische materialen te integreren met plasmonics. Plasmonen ontstaan ​​wanneer licht op een metalen oppervlak valt, zoals goud. Fotonen geven dan een deel van hun energie door aan de elektronen op het metalen oppervlak, zodat de elektronen gaan oscilleren. Deze nieuwe foton-elektronoscillaties worden plasmonpolaritonen genoemd. Werken met plasmonpolaritonen maakt een dramatische vermindering van de grootte van optische schakelingen en bandbreedtewerking mogelijk die vele malen groter is dan die van fotonica.

Vergeleken met de ontdekking van 2000, de bandbreedte van de apparaten nam met bijna een factor 10 toe terwijl de energiebehoefte met bijna 1 werd verminderd 000 en dit vertaalt zich in een vermindering van de verwarming.

De achilleshiel van plasmonics, echter, wordt optisch verlies genoemd. Hoewel signaalverslechtering met de overdrachtsafstand niet zo erg is als bij elektronica, signaaldegradatie met plasmonics is veel erger dan met fotonica.

"De ETH- en Purdue-onderzoekers bedachten een elegante apparaatarchitectuur die het probleem van plasmonisch verlies aanpakt en verlies bereikt dat vergelijkbaar is met dat van volledig fotonische modulatoren door een combinatie van plasmonica en fotonica te gebruiken, ' zei Dalton.

Hij noemde het apparaat een elegante integratie van elektronica, fotonica en plasmonica, gebruikmakend van een organisch elektro-optisch materiaal dat integratie van alle signaalverwerkingsopties mogelijk maakt.

"Dit is een dubbel significante vooruitgang in plasmonics en organische elektroactieve materialen, mogelijk gemaakt door creatieve iteratie tussen materiaalvoorspelling, ontwerp, synthese, en vastgoedoptimalisatie, " zei Linda S. Sapochak, divisiedirecteur voor materiaalonderzoek bij de National Science Foundation, die hielpen bij het financieren van het onderzoek.

De integratie van elektronica en fotonica op chips wordt al meer dan tien jaar erkend als een cruciale volgende stap in de evolutie van de informatietechnologie.

Informatietechnologie is de wetenschap van hoe we onze wereld waarnemen en die informatie zowel verwerken als communiceren.

De toepassingen van het nieuwe apparaat kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën op basis van de gebruikte golflengte van het licht:glasvezel, telecommunicatie en optische interconnecties in computers gebruiken licht (fotonen) bij optische frequenties (infrarood licht), terwijl toepassingen zoals radar en draadloze telecommunicatie elektromagnetische straling gebruiken in de radiofrequentie- en microgolfregio's (licht met lange golflengte).

In de telecommunicatie- en computerruimte, elektro-optica neemt informatie op die is gegenereerd in een elektronisch apparaat (bijvoorbeeld een computerprocessor) en zet deze om in lichtsignalen die over een glasvezelkabel of via een draadloze transmissie naar een ander elektronisch apparaat gaan.

"Op die manier, je zou aan elektro-optica kunnen denken als de opritten van de informatiesnelweg, ' zei Dalton.

Elektro-optica is ook van cruciaal belang voor veel andere toepassingen zoals radar en GPS. Het vertegenwoordigt kritische sensortechnologie, inclusief toepassingen zoals embedded netwerkdetectie. Bijvoorbeeld, elektro-optica is van cruciaal belang voor veel componenten van een autonoom voertuig en voor het bewaken van infrastructuurelementen zoals gebouwen en bruggen. Het apparaat is relevant voor zowel digitale als analoge informatieverwerking.