低損耗的等離子輔助型電光調製器

華盛頓大學的研究人員與蘇黎世聯邦理工學院，普渡大學和弗吉尼亞聯邦大學的研究人員合作，在光通信領域取得了一項突破性的進展，這將徹底改變信息技術。

他們發明了一種比人類頭髮還小的微型設備，它以比現有技術快10倍的速度將電子位（數字語言的0和1s）轉換為光或光子位。

「與信息技術的早期發展一樣，這可能會極大地影響我們的生活方式。」 華盛頓大學化學教授，光子學研究領域的領導者Larry Dalton說。

這些新的光電器件接近當前電子電路元件的尺寸，並且對於將光子學和電子學集成在單個晶元上很重要。這項新技術還涉及到利用粒子-等離激元，其特性介於電子和光子之間。這種混合粒子技術被稱為等離子體激元。

這些發現在「Nature」（「Low-loss plasmon-assisted electro-optic modulator」）雜誌上發表。

圖片是圖像處理後的電光調製器。（圖片來源：弗吉尼亞聯邦大學圖片/ Nathaniel Kinsey）

蘇黎世聯邦理工學院的研究生，該論文的主要作者Christian Haffner說：「這個裝置是作為一個等離子體調製器搭建的。 這是不尋常的，因為傳統情況都是依賴於光子學而不是等離子體。事實上，研究人員避免了等離子體激元，因為在所有的行業中，等離子體都被認為是一種以最高光學損耗為代價的技術。然而 - 這是迄今為止最驚人的發現 - 在沒有遭受如此高損失的情況下，人們發現了一種使用等離子體的方法。」

為了提高計算，通信，感測和控制技術的信息處理能力，數據需要在很大距離內以高帶寬進行通信，且沒有信號（信息）衰退或消耗太多能量併產生太多熱量。這就是「Nature」文章中描述的新技術所適用的地方。該設備稱為電光調製器，可以將電信號轉換為光信號，可通過光纖電纜傳輸或通過衛星和基站進行無線傳輸。必須使用能夠處理海量數據的極小設備，以卓越的能效實現這一目標。

「該設備必須非常靈敏，能夠響應非常小的電場。如果控制設備所需的磁場很小，那麼功耗也很低。這一點非常重要，因為能源效率對所有應用都至關重要，」合作者Dalton說，「您希望避免在計算或通信應用中產生熱量和信息降級。」

最近的進展都是遵循2000年的突破，Dalton和華盛頓大學和南加州大學研究人員組成的團隊首次引入了新設計的電光聚合物或塑料，這些新產品被集成到厘米長的器件中，這些器件可以在低於1伏的電壓下工作，帶寬超過100千兆赫。不幸的是，這些器件比電子數據生成元件大得多，並且不適合將電子元件和光子元件集成到單個晶元上。

然而，對於等離子體激元，現在已經解決了這個問題。這一切都始於一個國際科學家和工程師團隊著手通過將更好的有機電光材料與等離子體激元相結合來改進這一設備。當光照射到金屬（金）表面上時，會產生等離子體。然後光子將部分能量傳遞給金屬表面上的電子，使電子振蕩。這些新的光子電子振蕩被稱為等離子體極化激元。使用等離子激元可以使光路尺寸急劇縮小，並且可以大大減少光路尺寸，帶寬操作的次數是光子的很多倍。與2000年的發現相比，這些設備的帶寬增加了近10倍，同時將能源需求減少了近1000倍，這意味著產熱也減少了。

然而，等離子激元的致命之處被稱為光學損失。雖然傳輸一定距離的信號衰減程度並不像電子設備那樣糟糕，但是等離子激元的信號衰減程度比光子學要差得多。

「蘇黎世聯邦理工學院和普渡大學的研究人員構思了一種優雅的器件結構，通過使用等離子體激元和光子學的組合，解決了等離子體損失的問題，並實現了與全光子調製器相媲美的損耗。」Dalton說。

他稱該設備是電子，光子學和等離子體激元的完美集成，使用一種有機電光材料，可以集成所有信號處理選項。

「這是通過在材料預測，設計，集成和性能優化之間進行創造性迭代而實現的等離子體和有機電活性材料的一項重大進步。」美國國家科學基金會材料研究部門主管Linda S. Sapochak表示。該基金會資助了這項研究。

十多年來，電子和光子學在晶元上的集成已經被公認為是信息技術發展的關鍵一步電。信息技術是我們如何感知我們的世界並處理和傳達這些信息的一門科學。

新器件的應用可根據所用光的波長分為兩類：光纖通信和光學互連在計算利用的光頻是紅外光，而雷達和無線通信等應用使用電磁輻射在射頻和微波（長波長光）區域。

在通信和計算領域，電子光學技術將電子設備（例如計算機處理器）中產生的信息轉化為光信號，然後通過光纜傳輸或通過無線傳輸到另一個電子設備。

「從這個意義上說，你可能會認為電光學是信息高速公路的一個神秘入口。」Dalton說。

電光學對於許多其他應用如雷達和GPS也很重要。 它代表了關鍵的感測器技術，包括嵌入式網路感測等應用。 例如，電光學對於自動駕駛車輛的許多組件以及用於監視諸如建築物和橋樑的基礎設施元件而言是至關重要的。 該設備與數字和模擬信息處理相關。

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