Ett Sandia National Laboratories-ledt team har för första gången använt optik snarare än elektronik för att byta en nanometertjock tunnfilmsenhet från helt mörk till helt transparent, eller ljus, med en bilionshastighet av en sekund.

Teamet som leds av huvudutredaren Igal Brener publicerade en Nature Photonics papper i vår med samarbetspartners vid North Carolina State University. Papperet beskriver arbetet med optisk informationsbehandling, såsom omkoppling eller ljuspolariseringskontroll med ljus som kontrollstråle, vid terahertz -hastigheter, en hastighet mycket snabbare än vad som kan uppnås idag med elektroniska medel, och en mindre övergripande enhetsstorlek än andra heloptiska växlingstekniker.

Elektroner som snurrar runt inuti enheter som de som används i telekommunikationsutrustning har en hastighetsbegränsning på grund av en långsam laddningshastighet och dålig värmeavledning, så om betydligt snabbare drift är målet, elektroner kan behöva ge vika för fotoner.

För att använda fotoner effektivt, tekniken kräver en enhet som går från helt ljus till helt mörk med terahertz -hastigheter. Förr, forskare kunde inte få den nödvändiga kontrastförändringen från en optisk switch med den hastighet som behövs i en liten enhet. Tidigare försök var mer som att dimma ett ljus än att stänga av det, eller nödvändigt ljus för att resa en lång sträcka.

Genombrottet visar att det är möjligt att göra högkontrast all-optisk omkoppling i en mycket tunn enhet, i vilken ljusintensitet eller polarisering växlas optiskt, sa Yuanmu Yang, en tidigare Sandia Labs -postdoktor som arbetade på Center for Integrated Nanotechnologies, en institution för energianvändare som drivs gemensamt av Sandia och Los Alamos nationella laboratorier. Arbetet gjordes på CINT.

"Istället för att slå på och av en ström, målet skulle vara att tända och släcka ljuset i mycket snabbare takt än vad som kan uppnås idag, "Sa Yang.

Snabbare informationsbehandling viktig i kommunikation, fysikforskning

En mycket snabb och kompakt växlingsplattform öppnar ett nytt sätt att undersöka grundläggande fysikproblem. "Många fysiska processer sker faktiskt med en mycket snabb hastighet, med en hastighet av några terahertz, "Yang sa." Med detta verktyg kan vi studera dynamiken i fysiska processer som molekylär rotation och magnetisk snurrning. Det är viktigt för forskning och för att flytta kunskap längre fram. "

Det kan också fungera som en snabb polarisationsomkopplare - polarisering förändrar ljusets egenskaper - som kan användas vid biologisk avbildning eller kemisk spektroskopi, Sa Brener. "Ibland gör du mätningar som kräver att du ändrar ljusets polarisering med en mycket snabb takt. Vår enhet kan också fungera så. Det är antingen en absolut strömbrytare som slås på och av eller en polarisationsomkopplare som bara växlar polariseringen av ljus."

Ultrasnabb informationsbehandling "spelar roll i databehandling, telekommunikation, signalbehandling, bildbehandling och i kemi- och biologi -experiment där du vill ha mycket snabb växling, "Brener sa." Det finns några laserbaserade bildtekniker som kommer att gynnas av att ha snabb växling också. "

Teamets upptäckt härrörde från forskning som finansierades av energiavdelningens grundläggande energivetenskap, Avdelningen för materialvetenskap och teknik, den där, bland annat, låter Sandia studera interaktion mellan ljus och olika begrepp inom nanofotonik.

"Detta är ett exempel där det bara växte organiskt från grundforskning till något som har en fantastisk prestanda, "Sa Brener." Också, vi hade tur att vi hade ett samarbete med North Carolina State University. De hade materialet och vi insåg att vi kunde använda det för detta ändamål. Det drivs inte av ett tillämpat projekt; det var tvärtom. "

Tekniken använder laserstrålar för att bära information, växla enhet

Tekniken använder två laserstrålar, en bär informationen och den andra slår på och av enheten.

Kopplingsstrålen använder fotoner för att värma upp elektroner inuti halvledare till temperaturer på några tusen grader Fahrenheit, vilket inte får provet att bli så varmt men dramatiskt förändrar materialets optiska egenskaper. Materialet slappnar också av vid terahertz -hastigheter, på några hundra femtosekunder eller på mindre än en biljonedel av en sekund. "Så vi kan slå på och av detta material med en hastighet av några biljoner gånger per sekund, "Sa Yang.

Sandia -forskare slår på och av den optiska omkopplaren genom att skapa något som kallas en plasmonisk hålighet, som begränsar ljus inom några tiotals nanometer, och ökar interaktionen mellan ljus och material betydligt. Genom att använda ett speciellt plasmoniskt material, dopad kadmiumoxid från North Carolina State, de byggde en högkvalitativ plasmonisk hålighet. Uppvärmning av elektroner i den dopade kadmiumoxiden ändrar drastiskt de opto-elektriska egenskaperna hos plasmonikhålan, modulerar intensiteten hos det reflekterade ljuset.

Traditionella plasmoniska material som guld eller silver är knappt känsliga för den optiska kontrollstrålen. Att lysa en stråle på dem ändrar inte deras egenskaper från ljus till mörkt eller vice versa. Den optiska kontrollstrålen, dock, förändrar det dopade kadmiumoxidhålrummet mycket snabbt, styr dess optiska egenskaper som en på / av-omkopplare.

Nästa steg är att ta reda på hur man använder elektriska pulser snarare än optiska pulser för att aktivera omkopplaren, eftersom en helt optisk metod fortfarande kräver stor utrustning, Sa Brener. Han uppskattar att arbetet kan ta tre till fem år.

"För praktiska ändamål, du måste miniatyrisera och göra detta elektriskt, " han sa.

Tidningens författare är Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk och Mike Sinclair på Sandia Labs och Jon-Paul Maria, Kyle Kelley och Edward Sachet i North Carolina State.