Dagens samhälle växer i befolkning och produktiviteten ställer allt högre krav på Internet, och utan vetenskaplig utveckling för att tillhandahålla sätt att möta våra trafikbehov, det kommer att börja täppa till. Kartlägga fotoner till en metallyta och konvertera dem till en viss typ av elektronoscillationer, kallas plasmoner, forskare från Schweiz, Tyskland och USA samarbetade för att utveckla ett nytt sätt att förmedla information till ljussignalerna som sänds över internetets optiska fibernät.
Deras arbete med att utveckla dessa bredbandsplasmoniska modulatorer, som arbetar med mer än 100 Gbit/s gräns för fotoniska enheter för en enda bärare, kommer att presenteras på Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), hölls 19-23 mars i Los Angeles, Kalifornien, USA.
Hoppet från att skicka elektroniska signaler över ledningar till att skicka optiska signaler över fibrer revolutionerade Internet, erbjuder betydligt högre kapacitet och överföringshastigheter. De elektroniska chipavlade signalerna från datorer kodades till ljus som moduleringar, som sedan kunde resa med relativistiska hastigheter över optiska fibrer.
Vi har nu nått en punkt, dock, där omvandling av de elektriska signalerna till optiska kan vara en flaskhals till optisk kommunikation.
Ange:plasmoner. Plasmoner är vågor i det energiskt flytande "havet" av elektroner på många ledande metaller som guld. Ungefär som krusningar av vatten på en damms yta från en hoppande sten, plasmoner bär energi från ljus som träffar en yta som vågor av kollektivt oscillerande elektroner. Under rätt förutsättningar, ljus kan excitera dessa mikroskopiska plasmoner och omvandla signalen från en ljusvåg - rent fotonisk till sin natur - till en plasmon som rör sig längs metallens yta.
"I stället för att förlita sig på fotonik, vi arbetar nu med plasmonik, "sa Claudia Hoessbacher huvudförfattare till tidningen och medlem i Institute of Electromagnetic Fields vid ETH i Zürich, Schweiz. "Arbetet utlöstes genom att inse att vi har kommit till gränserna för kiselfotonik. Kisel skulle inte längre ge oss en högre hastighet, inte heller skulle det tillåta oss att bli mer kompakta. "
Den nya modulatorenheten har två uppsättningar guldelektrodpar separerade med en smal plats mindre än hundra nanometer bred, hundratals gånger mindre än ett människohår. Slitsarna är fyllda med ett organiskt elektrooptiskt material vars ljusbrytningsegenskaper förändras förutsägbart i ett applicerat elektriskt fält.
Guld är bland de mest plasmoniskt aktiva elementen och dessa kiselfyllda luckor fungerar som vågledare för plasmoner. Hela arrangemanget bildar en mikrointerferometer, där den resulterande modulerade signalen härrör från kombinationen av signalerna som går genom var och en av de två elektrooptiska materialvägarna.
Eftersom dessa plasmoniska komponenter är metalliska, de har den extra fördelen att potentiellt fungera som sina egna elektriska kontakter.
De största fördelarna med dessa modulatorer, dock, är deras kompakta storlek och betydligt breda bandbredd, vilket möjliggör en högre informationsflöde genom att stödja ett bredare spektrum av frekvenser. Den stora bandbredden beror på elektronernas nästan omedelbara svar på elektromagnetiska fält. Även om plasmoner inte reser långa sträckor effektivt, deras kompakta storlek minimerar denna nackdel.
"Initialt, vi var rädda för att förlusterna skulle bli för höga eftersom de plasmoniska förlusterna är kända för att vara höga, "sade Leuthold, som leder forskningsinstitutet vid ETH. "Vår andra generation av enheten gav genombrottet. Vi insåg att icke -lineariteter var mycket högre än vad man normalt skulle förvänta sig. Tack vare dessa höga olineariteter kunde vi tillverka korta enheter och därmed skulle förlusterna vara tillräckligt låga också."
Den lilla storleken på dessa nya enheter är inte helt utan nackdelar. Den kompakta storleken på de mikroskopiska modulatorerna innebär också att de ställer tillverkningsutmaningar. För sådana exakta sammansättningar, gruppen använde litografiska tekniker, där noggrant exponerade ljusmönster driver kemiska processer som lämnar de önskade elektrodmönstren efter sig.
"När du börjar arbeta med enheter som har sub-diffraktionsdimensioner (dvs. långt under våglängden) är den yttersta utmaningen att behärska tillverkningen, "Sade Leuthold." Vi behöver litografiska upplösningar i storleksordningen 20 till 40 nanometer. "
Använda moduleringsformat som är välkända för den optiska kommunikationsgemenskapen, forskare testade enhetens svar över ett intervall på 170 GHz. Detta var ett så brett frekvensområde, de var tvungna att utforma fem olika inställningar för att generera alla testade radiofrekvenssignaler. Enligt Leuthold, detta arbete fortsätter i hopp om ännu bättre resultat och potentiella applikationer för nästa generation av optiska kommunikationslänkar.
