Forskare vid University of Washington, som arbetar med forskare från ETH-Zürich, Purdue University och Virginia Commonwealth University, har uppnått ett genombrott i optisk kommunikation som kan revolutionera informationstekniken.

De skapade en liten enhet, mindre än ett människohår, som översätter elektriska bitar (0 och 1 i det digitala språket) till ljus, eller fotoniska bitar, med hastigheter tio gånger snabbare än nuvarande teknik.

"Som med tidigare framsteg inom informationsteknik, detta kan dramatiskt påverka vårt sätt att leva, "sa Larry Dalton, en UW kemiprofessor emeritus och ledare inom fotonikforskning.

Dessa nya elektrooptiska enheter närmar sig storleken på nuvarande elektroniska kretselement och är viktiga för att integrera fotonik och elektronik på ett enda chip. Den nya tekniken innebär också användning av en partikel, en plasmon polariton, som har egenskaper mellan elektroner och fotoner. Denna hybridpartikelteknik kallas plasmonik.

Resultaten publicerades idag i tidningen Natur .

"Enheten har byggts som en plasmonisk modulator, sa Christian Haffner, en doktorand vid ETH-Zürich och huvudförfattare till uppsatsen. "Detta är ovanligt eftersom den traditionella implementeringen bygger på fotonik snarare än plasmonik. Faktum är att forskare undviker plasmonik, som plasmonik är känt i all industri som en teknik som kommer till priset av högsta optiska förluster. Ändå - och detta är det överlägset mest spektakulära fyndet - har man funnit ett trick för att använda plasmonik utan att drabbas av så stora förluster. "

För att öka datahanteringskapaciteten för datorer, telekommunikation, avkännings- och kontrollteknik, data måste kommuniceras med hög bandbredd över stora avstånd utan att signaler (information) försämras, eller förbrukar för mycket energi och genererar för mycket värme. Det är där den nya tekniken beskrivs i Natur artikeln passar in. Kallade en elektrooptisk modulator, enheten omvandlar elektriska signaler till optiska signaler som kan resa antingen över glasfiberkabel eller trådlöst genom rymden via satellit- och celltorn. Detta måste uppnås med utmärkt energieffektivitet med hjälp av extremt små enheter som kan bearbeta massiva mängder data.

"Enheten måste vara mycket känslig, kan reagera på mycket små elektriska fält. Om fälten som behövs för att styra enheten är små, då är strömförbrukningen låg också. Detta är viktigt eftersom energieffektivitet är avgörande för alla applikationer, "medförfattare Dalton sa, lägga till, "Du vill undvika att generera värme och informationsförstöring i dator- eller telekommunikationsapplikationer."

Detta senaste framsteg följer på ett genombrott år 2000 när Dalton och ett team av forskare från UW och University of Southern California först introducerade nydesignade elektrooptiska polymerer eller plast, som var integrerade i centimeterlånga enheter som kunde drivas med mindre än en volt och med bandbredder överstigande 100 gigahertz. Tyvärr, dessa enheter var mycket större än elektroniska datagenererande element och var inte lämpade för integration av elektronik och fotonikelement på ett enda chip.

Dock, övergång till plasmonik, detta fotavtrycksproblem har nu lösts. Och allt började när ett internationellt team av forskare och ingenjörer försökte förbättra enheten genom att integrera bättre organiska elektrooptiska material med plasmonik. Plasmoner skapas när ljus träffar en metallisk yta, som guld. Fotoner förmedlar sedan en del av sin energi till elektronerna på metallytan så att elektronerna oscillerar. Dessa nya foton-elektronoscillationer kallas plasmonpolaritoner. Att arbeta med plasmapolaritoner möjliggör en dramatisk minskning av storleken på optiska kretsar och bandbreddsdrift många gånger den för fotonik.

Jämfört med upptäckten 2000, enheternas bandbredd ökade med nästan en faktor 10 samtidigt som energikraven minskade med nästan 1, 000 och detta leder till en minskning av uppvärmningen.

Akilleshälen av plasmonik, dock, kallas optisk förlust. Medan signalnedbrytning med överföringsavstånd inte är lika illa som med elektronik, signalnedbrytning med plasmonik är mycket värre än med fotonik.

"ETH- och Purdue-forskarna tänkte sig en elegant enhetsarkitektur som tar itu med problemet med plasmonisk förlust och uppnår förlust som är jämförbar med allfotoniska modulatorer genom att använda en kombination av plasmonik och fotonik, "Sa Dalton.

Han kallade enheten en elegant integration av elektronik, fotonik och plasmonik, med hjälp av ett organiskt elektrooptiskt material som möjliggör integration av alla signalbehandlingsalternativ.

"Detta är en dubbel betydande framsteg inom plasmonik och organiska elektroaktiva material, möjliggjord genom kreativ iteration mellan materialförutsägelser, design, syntes, och fastighetsoptimering, "sa Linda S. Sapochak, avdelningsdirektör för materialforskning vid National Science Foundation, som hjälpte till att finansiera forskningen.

Integrationen av elektronik och fotonik på chips har erkänts i mer än ett decennium som ett kritiskt nästa steg i utvecklingen av informationsteknik.

Informationsteknik är vetenskapen om hur vi känner vår värld och både bearbetar och kommunicerar den informationen.

Applikationerna för den nya enheten kan delas in i två kategorier baserat på ljusets våglängd:Fiberoptisk telekommunikation och optiska sammankopplingar vid beräkning använder ljus (fotoner) vid optiska frekvenser (infrarött ljus), medan applikationer som radar och trådlös telekommunikation använder elektromagnetisk strålning i radiofrekvens- och mikrovågsregioner (ljus med lång våglängd).

I telekommunikations- och datorutrymmet, elektrooptik tar information som genereras i en elektronisk enhet (t.ex. en datorprocessor) och omvandla den till ljussignaler som går över en fiberoptisk kabel eller via en trådlös överföring till en annan elektronisk enhet.

"I det avseendet, du kanske tänker på elektro-optik som 'på-ramperna för informationsmotorvägen, sa Dalton.

Elektrooptik är också avgörande för många andra applikationer som radar och GPS. Det representerar kritisk sensorteknik, inklusive applikationer som inbäddad nätverksavkänning. Till exempel, elektrooptik är avgörande för många komponenter i ett autonomt fordon och för övervakning av infrastrukturelement som byggnader och broar. Enheten är relevant för både digital och analog informationsbehandling.