Nanorakenteet mahdollistavat valoaaltoelektroniikan

Valoaaltoinen elektroniikka pyrkii integroimaan optisia ja elektronisia järjestelmiä uskomattoman suurilla nopeuksilla hyödyntäen valokenttien ultranopeita värähtelyjä.

Taajuussekoittimet ovat tärkeitä komponentteja monissa elektronisissa laitteissa, ja ne toimivat tyypillisesti taajuuksilla, jotka värähtelevät gigahertseistä terahertseihin.

Mutta mitä jos taajuussekoitin toimisi petahertsien taajuuksilla eli jopa miljoona kertaa nopeammin. Tämä taajuusalue vastaa valoaaltoja muodostavien sähkömagneettisten kenttien värähtelyjä.

Petahertsiset taajuussekoittimet antaisivat mahdollisuuden siirtää signaaleja ylöspäin optisille taajuuksille ja sitten takaisin alas perinteisemmille elektronisille taajuuksille, mikä mahdollistaisi huomattavasti suurempien tietomäärien siirron ja käsittelyn monta kertaa suuremmilla nopeuksilla.

Tämä mahdollistaa informaation käsittelyn ja manipuloinnin nopeuksilla, jotka ylittävät nykyisen elektroniikkatekniikan. Yhdessä muiden petahertsien elektronisten piirien kanssa petahertsinen elektroninen mikseri antaisi mahdollisuuden käsitellä ja analysoida valtavia määriä tietoa reaaliajassa ja siirtää suurempia tietomääriä ilmassa ennennäkemättömällä nopeudella.

MIT:n tutkijoiden äskettäinen demonstraatio valoaaltoelektronisesta sekoittimesta petahertsien taajuuksilla on ensimmäinen askel kohti viestintätekniikan nopeuttamista ja edistää tutkimusta kohti uusia, miniatyrisoituja valoaaltoisia elektroniikkapiirejä, jotka pystyvät käsittelemään optisia signaaleja suoraan nanomittakaavassa.

Aihetta on tutkittu 1970-luvulta asti mutta viime nykyisen nanoteknologian kehitys on nostanut tämän tutkimusalueen uudelleen tapetille. Nyt tutkijat havaitsivat, että pienet rakenteet, kuten nanometriset neulankärjet ja plasmoniset antennit, voisivat toimia samalla tavalla kuin varhaiset diodit, mutta paljon korkeammilla taajuuksilla.

Ryhmän tutkimuksessa korostetaan nanoantenniverkkojen käyttöä laajakaistaisen, sirulla olevan elektronisen optisen taajuussekoittimen luomiseksi. Tämä innovatiivinen lähestymistapa mahdollistaa useamman kuin yhden oktaavin kaistanleveyden ylittävien optisten aaltomuotojen tarkan lukemisen. Tärkeää on, että tämä prosessi toimi kaupallisella laserilla.

Vaikka optinen taajuuksien sekoittaminen on mahdollista epälineaarisilla materiaaleilla, prosessi on puhtaasti optinen. Lisäksi materiaalien tulee olla paksuudeltaan useita aallonpituuksia, mikä rajoittaa laitteen koon mikrometrien mittoihin.

Sitä vastoin tutkijoiden osoittamassa valoaaltoelektronisessa menetelmässä käytetään valo-ohjattua tunnelointimekanismia, joka tarjoaa korkean epälineaarisuuden taajuuksien sekoitukseen ja suoraan elektroniseen ulostuloon nanometrimittakaavaisilla rakenteilla.

Vaikka tässä tutkimuksessa keskityttiin eri taajuuksien valopulssien karakterisointiin, tutkijat uskovat, että samankaltaiset rakenteet mahdollistavat valoaaltoja käyttävien piirien rakentamisen.

Näin tämä työ ei ainoastaan lavenna optisen signaalinkäsittelyn mahdollisuuksien rajoja, vaan myös silloittaa elektroniikan ja optiikan alojen välistä kuilua arvioivat tutkijat.

Aiheesta aiemmin:

Äärimmäiset rajat nykyelektroniikalle

Kvanttiversio Hertsin kipinästä