Forskare vid Moskvainstitutet för fysik och teknik föreslår en metod för att exakt förutsäga nivån av brus som orsakas av förstärkningen av fotoniska och plasmoniska signaler i optoelektroniska kretsar i nanoskala. I deras forskning publicerad i Fysisk granskning tillämpas , forskarna beskriver ett tillvägagångssätt som kan användas för att utvärdera de ultimata dataöverföringshastigheterna i de framväxande optoelektroniska mikroprocessorerna och upptäcka grundläggande begränsningar för bandbredden hos nanofotoniska gränssnitt.

Ytplasmonpolaritoner är kollektiva elektronoscillationer på en metallyta kopplad till ett elektromagnetiskt fält. En ytplasmon kan ses som ett komprimerat ljuskvantum, och det förklarar varför plasmoniska enheter är lovande för många applikationer:De är nästan lika kompakta som nanoelektroniska komponenter, men samtidigt, de möjliggör dataöverföringshastigheter upp till fyra storleksordningar högre än elektriska ledningar. Att ersätta till och med några av de elektriska sammankopplingarna på ett chip med plasmoniska (nanofotoniska) komponenter skulle ge en välbehövlig ökning av mikroprocessorns prestanda.

Det främsta hindret för plasmonics för närvarande är signaldämpning. På grund av stora förluster, ytplasmoner kan fortplanta sig över långa avstånd endast i så kallade aktiva plasmoniska vågledare. Sådana vågledare styr inte bara den plasmoniska signalen från sändaren till mottagaren utan förstärker den också med hjälp av energin från den elektriska strömmen som strömmar genom enheten. Denna extra energi kompenserar för signalförluster och tillåter ytplasmoner att fortplanta sig fritt längs vågledaren, precis som energin från ett batteri håller kvartsklockan att ticka.

Dock, det finns ett grundläggande problem förknippat med signalförstärkning och förlustkompensation. Varje förstärkare ökar inte bara amplituden på ingången, men lägger också till några oönskade slumpmässiga signaler. Fysiker hänvisar till dessa signaler som brus. Enligt termodynamikens lagar, det är omöjligt att ta bort allt brus från ett system. Förvrängningen av den ursprungliga signalen bestäms till stor del av brus, vilket i grunden begränsar dataöverföringshastigheter och orsakar fel i de mottagna bitarna om information överförs med högre hastigheter. För att öka dataöverföringshastigheten, signal-brusförhållandet måste förbättras. Vikten av detta förhållande är uppenbart för alla som har haft erfarenhet av att prata med någon på en livlig gata eller lyssna på en radiostation.

"Bruser spelar en nyckelroll i nästan hälften av alla enheter i våra hem, från mobiltelefoner och tv-apparater till de fiberoptiska kanalerna som är ryggraden i höghastighetsinternet. Signalförstärkning minskar oundvikligen signal-brusförhållandet. Faktiskt, ju mer förstärkning en förstärkare ger, eller, i vårat fall, desto större signalförlust behöver den för att kompensera, ju högre ljudnivå den producerar. Detta problem är särskilt uttalat i plasmoniska vågledare med förstärkning, " säger Dmitry Fedyanin.

En färsk studie av Fedyanin och Andrey Vyshnevyy publicerad i Fysisk granskning tillämpas behandlar en viss typ av brus:det fotoniska bruset som produceras när plasmoniska signaler förstärks i halvledarenheter. Dess främsta orsak är den så kallade spontana emissionen. När en fotonisk signal förstärks, kraften hos den optiska vågen ökar på grund av övergångar av elektroner från högre till lägre energitillstånd - skillnaden i energi mellan de två energitillstånden frigörs som ljuskvanta. Denna emission kan vara både stimulerad och spontan.

Medan den stimulerade emissionen förstärker signalen, den spontana emissionen producerar slumpmässiga kvanta av olika energier, dvs. buller med ett brett spektrum. Buller kan observeras som slumpmässiga fluktuationer i signaleffekten till följd av störning av signalens frekvenskomponenter och spontanemission (detta fenomen kallas "beat"). Varje ökning av förstärkningen som tillhandahålls av en förstärkare ökar brusnivån och breddar emissionsspektra, både stimulerad och spontan. Tillämpligheten av de väletablerade metoderna för kvantoptik, som är avsedda att beskriva ljusets interaktion med enskilda atomer, minskar när spektrat i det studerade systemet blir bredare. För att ta itu med fallet med högförstärkning på nanoskala, forskarna fick i princip börja arbetet från början.

"Vi var tvungna att överbrygga gapet mellan tre olika områden inom fysiken som sällan korsar varandra:kvantoptik, halvledarfysik och optoelektronik. Vi har utvecklat ett teoretiskt ramverk som kan beskriva fotoniskt brus i strukturer som innehåller aktiva medier med ett brett förstärkningsspektrum. Även om detta tillvägagångssätt ursprungligen var tänkt för plasmoniska vågledare med förstärkning, den kan appliceras utan förändring på alla optiska förstärkare och liknande system, " säger Fedyanin.

Brus orsakar fel under överföring, vilket minskar den effektiva dataöverföringshastigheten avsevärt på grund av behovet av att implementera felkorrigeringsalgoritmer. När det gäller hårdvara, felkontroll kräver också ytterligare on-chip-komponenter som realiserar korrigering, gör nya enheter svårare att designa och tillverka.

"Om vi ​​känner till bruskraften i en nanofotonisk kommunikationskanal, såväl som dess spektrala egenskaper, det är möjligt att utvärdera den maximala hastigheten för dataöverföring längs den kanalen. Vidare, vi kan identifiera sätt att minska mängden brus genom att välja vissa driftsregimer för enheten och använda optiska och elektriska filtreringstekniker, ", tillägger Vyshnevyy.

Den föreslagna teorin föreslår en ny klass av enheter som kombinerar fördelarna med elektronik och fotonik på samma chip. I ett sådant chip, plasmoniska komponenter skulle användas för ultrasnabb kommunikation mellan processorkärnor och register. Även om signaldämpning tidigare betraktades som det föreslagna chipets största nackdel, den senaste studien av ryska forskare visar att så snart signalförlusten har kompenserats, en teknik krävs för att hantera bullerfrågan. Annat, signalen kan helt enkelt dränkas av spontant emissionsljud, vilket gör chippet praktiskt taget oanvändbart.

Beräkningarna som forskarna utförde visar att en aktiv plasmonisk vågledare med ett tvärsnitt på bara 200 × 200 nanometer kan användas för att överföra signaler över ett avstånd av fem millimeter. Detta kanske inte verkar så mycket när det gäller de avstånd vi hanterar i vardagen, men detta nummer är faktiskt ganska typiskt för moderna mikroprocessorer. När det gäller dataöverföringshastigheter, de skulle överstiga 10 Gbit/s per spektralkanal, dvs. en datakommunikationskanal som använder en specifik ljusvåglängd. För att inte tala om att en enda vågledare i nanoskala kan användas samtidigt av flera dussin av dessa spektrala kanaler om våglängdsdelningsmultiplexeringstekniken (WDM) används, vilket är en standard i alla optiska kommunikationslinjer inklusive bredbandsinternet. För att sätta det i perspektiv, den maximala dataöverföringshastigheten genom en elektrisk sammankoppling (en kopparledare) med liknande dimensioner är endast 20 Mbit/s, vilket är minst 500 gånger långsammare!

Forskarna fann hur bruseffekten och brusegenskaperna beror på parametrarna för plasmoniska vågledare med förstärkning och visade hur brusnivån kan reduceras för att säkerställa den maximala bandbredden för det nanofotoniska gränssnittet. De visade att det är möjligt att kombinera en miniatyrstorlek och ett lågt antal fel med en hög dataöverföringshastighet och en relativt hög energieffektivitet i en enda enhet, ett "plasmoniskt genombrott" inom mikroelektronik som kan komma under de kommande tio åren.