Подпись: Демонстрация смесителя световых волн и электроники на частотах в масштабе петагерц является первым шагом к ускорению коммуникационных технологий и продвигает исследования в направлении разработки новых миниатюрных схем световых волн, способных обрабатывать оптические сигналы непосредственно в наномасштабе.
Кредит: Sampson Wilcox/Исследовательская лаборатория электроники

Представьте себе, как работает телефонный звонок: ваш голос преобразуется в электронные сигналы, смещается на более высокие частоты, передается на большие расстояния, а затем снова смещается вниз, чтобы его было ясно слышно на другом конце. Процесс, обеспечивающий такое смещение частот сигнала, называется микшированием частот, и он необходим для таких коммуникационных технологий, как радио и Wi-Fi. Смесители частот являются жизненно важными компонентами во многих электронных устройствах и обычно работают с использованием частот, которые колеблются от миллиардов (ГГц, гигагерц) до триллионов (ТГц, терагерц) раз в секунду.

Теперь представьте себе частотный смеситель, который работает с частотой квадриллион (ПГц, петагерц) раз в секунду — до миллиона раз быстрее. Этот диапазон частот соответствует колебаниям электрических и магнитных полей, которые составляют световые волны.

Петагерцовые смесители частот позволят нам смещать сигналы вверх до оптических частот, а затем обратно к более обычным электронным частотам, позволяя передавать и обрабатывать гораздо большие объемы информации на во много раз более высоких скоростях. Этот скачок в скорости заключается не только в том, чтобы делать вещи быстрее; он заключается в обеспечении совершенно новых возможностей.

Электроника световых волн (или петагерцовая электроника) — это новая область, которая стремится интегрировать оптические и электронные системы на невероятно высоких скоростях, используя сверхбыстрые колебания световых полей. Основная идея заключается в том, чтобы использовать электрическое поле световых волн, которые колеблются в субфемтосекундных (10⁻¹⁵ секунд) временных масштабах, для непосредственного управления электронными процессами.

Это позволяет обрабатывать и манипулировать информацией на скоростях, намного превосходящих те, что возможны с помощью современных электронных технологий. В сочетании с другими электронными схемами петагерцового диапазона электронный микшер петагерцового диапазона позволит нам обрабатывать и анализировать огромные объемы информации в реальном времени и передавать большие объемы данных по воздуху на беспрецедентных скоростях.

Демонстрация группой Массачусетского технологического института смесителя световых волн и электроники на частотах в диапазоне петагерц является первым шагом на пути к ускорению коммуникационных технологий и продвигает исследования в направлении разработки новых миниатюрных схем световых волн, способных обрабатывать оптические сигналы непосредственно в наномасштабе.

В 1970-х годах ученые начали изучать способы расширения электронного смешения частот до терагерцового диапазона с помощью диодов. Хотя эти ранние попытки были многообещающими, прогресс застопорился на десятилетия. Однако в последнее время достижения в области нанотехнологий вновь оживили эту область исследований. Исследователи обнаружили, что крошечные структуры, такие как игольчатые наконечники нанометровой длины и плазмонные антенны, могут функционировать аналогично тем ранним диодам, но на гораздо более высоких частотах.

Недавнее исследование , опубликованное в журнале Science Advances Мэтью Йенгом, Лу-Тином Чоу, Марко Туркетти, Феликсом Ритцковски, Карлом К. Берггреном и Филиппом Д. Китли из Массачусетского технологического института, продемонстрировало значительный шаг вперед. Они разработали электронный смеситель частот для обнаружения сигналов, который работает за пределами 0,350 ПГц с использованием крошечных наноантенн. Эти наноантенны могут смешивать различные частоты света, позволяя анализировать сигналы, колеблющиеся на порядки быстрее, чем самые быстрые, доступные для обычной электроники.

Подобные электронные устройства петагерцового диапазона могут стать основой для разработок, которые в конечном итоге произведут революцию в областях, требующих точного анализа чрезвычайно быстрых оптических сигналов, таких как спектроскопия и визуализация, где фиксация динамики в фемтосекундном масштабе имеет решающее значение (фемтосекунда составляет одну миллионную одной миллиардной доли секунды).

Исследование команды подчеркивает использование сетей наноантенн для создания широкополосного электронного оптического частотного смесителя на чипе. Этот инновационный подход позволяет точно считывать формы оптических волн, охватывающие более одной октавы полосы пропускания. Важно, что этот процесс работал с использованием коммерческого лазера под ключ, который можно купить в готовом виде, а не с помощью высоконастраиваемого лазера.

Хотя оптическое смешение частот возможно с использованием нелинейных материалов, этот процесс является чисто оптическим (то есть он преобразует входной свет в выходной свет на новой частоте). Кроме того, толщина материалов должна быть во много раз больше длины волны, что ограничивает размер устройства микрометрическим масштабом (микрометр равен одной миллионной части метра).

Напротив, продемонстрированный авторами метод световолновой электроники использует механизм туннелирования, управляемый светом, который обеспечивает высокую нелинейность для смешивания частот и прямого электронного вывода с использованием устройств нанометрового масштаба (нанометр равен одной миллиардной метра).

Хотя это исследование было сосредоточено на характеристике световых импульсов разных частот, исследователи предполагают, что подобные устройства позволят строить схемы с использованием световых волн. Это устройство с полосой пропускания, охватывающей несколько октав, может предоставить новые способы исследования сверхбыстрых взаимодействий света и материи, ускоряя прогресс в технологиях сверхбыстрых источников.

Эта работа не только расширяет границы возможностей оптической обработки сигналов, но и устраняет разрыв между областями электроники и оптики. Объединяя эти две важные области исследований, это исследование прокладывает путь для новых технологий и приложений в таких областях, как спектроскопия, визуализация и связь, в конечном итоге расширяя наши возможности по исследованию и управлению сверхбыстрой динамикой света.