Nanostructuren maken on-chip lichtgolf-elektronische frequentiemixer mogelijk

Stel je voor hoe een telefoongesprek werkt: je stem wordt omgezet in elektronische signalen, opgeschoven naar hogere frequenties, over lange afstanden verzonden en vervolgens weer teruggeschoven zodat het duidelijk te horen is aan de andere kant. Het proces dat deze verschuiving van signaalfrequenties mogelijk maakt, wordt frequentiemixing genoemd en is essentieel voor communicatietechnologieën zoals radio en wifi. Frequentiemixers zijn essentiële componenten in veel elektronische apparaten en werken doorgaans met frequenties die miljarden (GHz, gigahertz) tot biljoenen (THz, terahertz) keer per seconde oscilleren.

Stel je nu een frequentiemixer voor die werkt met een quadriljoen (PHz, petahertz) keer per seconde, tot wel een miljoen keer sneller. Dit frequentiebereik komt overeen met de oscillaties van de elektrische en magnetische velden waaruit lichtgolven bestaan.

Petahertz-frequentiemixers zouden ons in staat stellen om signalen omhoog te verschuiven naar optische frequenties en vervolgens terug naar meer conventionele elektronische frequenties, wat de transmissie en verwerking van veel grotere hoeveelheden informatie op vele malen hogere snelheden mogelijk maakt. Deze sprong in snelheid gaat niet alleen over het sneller doen van dingen; het gaat over het mogelijk maken van geheel nieuwe mogelijkheden.

Lightwave-elektronica (of petahertz-elektronica) is een opkomend vakgebied dat optische en elektronische systemen wil integreren met ongelooflijk hoge snelheden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de ultrasnelle oscillaties van lichtvelden. Het belangrijkste idee is om het elektrische veld van lichtgolven te benutten, die oscilleren op sub-femtoseconde (10^-15 seconden) tijdschalen, om elektronische processen rechtstreeks aan te sturen.

Dit maakt het mogelijk om informatie te verwerken en manipuleren met snelheden die veel verder gaan dan wat mogelijk is met de huidige elektronische technologieën. In combinatie met andere petahertz elektronische schakelingen, zou een petahertz elektronische mixer ons in staat stellen om enorme hoeveelheden informatie in real time te verwerken en analyseren en grotere hoeveelheden data via de lucht te verzenden met ongekende snelheden.

De demonstratie door het MIT-team van een lichtgolf-elektronische mixer op petahertz-schaalfrequenties is een eerste stap in de richting van het versnellen van communicatietechnologie. Het is tevens een stap in het onderzoek naar de ontwikkeling van nieuwe, geminiaturiseerde elektronische lichtgolfschakelingen die optische signalen op nanoschaal direct kunnen verwerken.

In de jaren 70 begonnen wetenschappers manieren te verkennen om elektronische frequentiemenging uit te breiden tot het terahertzbereik met behulp van diodes. Hoewel deze vroege pogingen veelbelovend leken, bleef de vooruitgang tientallen jaren stilstaan. Onlangs hebben ontwikkelingen in de nanotechnologie dit onderzoeksgebied echter nieuw leven ingeblazen. Onderzoekers ontdekten dat kleine structuren zoals naaldpunten op nanometerlengteschaal en plasmonische antennes op dezelfde manier konden functioneren als die vroege diodes, maar dan op veel hogere frequenties.

Een recent onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang door Matthew Yeung, Lu-Ting Chou, Marco Turchetti, Felix Ritzkowsky, Karl K. Berggren en Phillip D. Keathley van MIT heeft een belangrijke stap voorwaarts laten zien. Ze ontwikkelden een elektronische frequentiemixer voor signaaldetectie die werkt boven 0,350 PHz met behulp van kleine nanoantennes. Deze nanoantennes kunnen verschillende lichtfrequenties mengen, waardoor analyse van signalen die ordes van grootte sneller oscilleren dan de snelste signalen die toegankelijk zijn voor conventionele elektronica mogelijk is.

Dergelijke elektronische petahertz-apparaten zouden ontwikkelingen mogelijk kunnen maken die uiteindelijk een revolutie teweeg zullen brengen in vakgebieden die een nauwkeurige analyse van extreem snelle optische signalen vereisen, zoals spectroscopie en beeldvorming, waarbij het vastleggen van dynamiek op femtosecondeschaal cruciaal is (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde).

De studie van het team benadrukt het gebruik van nanoantennenetwerken om een ​​breedband, on-chip elektronische optische frequentiemixer te creëren. Deze innovatieve aanpak maakt het mogelijk om optische golfvormen die meer dan één octaaf bandbreedte beslaan, nauwkeurig uit te lezen. Belangrijk is dat dit proces werkte met een commerciële kant-en-klare laser die kant-en-klaar kan worden gekocht, in plaats van een zeer aangepaste laser.

Hoewel optische frequentiemenging mogelijk is met behulp van niet-lineaire materialen, is het proces puur optisch (dat wil zeggen, het zet lichtinvoer om in lichtuitvoer op een nieuwe frequentie). Bovendien moeten de materialen vele golflengten dik zijn, waardoor de grootte van het apparaat beperkt is tot de micrometerschaal (een micrometer is een miljoenste van een meter).

Daarentegen maakt de door de auteurs gedemonstreerde lichtgolf-elektronische methode gebruik van een lichtgestuurd tunnelmechanisme dat hoge niet-lineariteiten biedt voor frequentiemenging en directe elektronische uitvoer met behulp van apparaten op nanometerschaal (een nanometer is een miljardste van een meter).

Hoewel deze studie zich richtte op het karakteriseren van lichtpulsen van verschillende frequenties, voorzien de onderzoekers dat vergelijkbare apparaten het mogelijk maken om circuits te construeren met behulp van lichtgolven. Dit apparaat, met bandbreedtes die meerdere octaven beslaan, zou nieuwe manieren kunnen bieden om ultrasnelle licht-materie-interacties te onderzoeken, wat de vooruitgang in ultrasnelle brontechnologieën versnelt.

Dit werk verlegt niet alleen de grenzen van wat mogelijk is in optische signaalverwerking, maar overbrugt ook de kloof tussen de vakgebieden elektronica en optica. Door deze twee belangrijke onderzoeksgebieden met elkaar te verbinden, baant deze studie de weg voor nieuwe technologieën en toepassingen in vakgebieden als spectroscopie, beeldvorming en communicatie, wat uiteindelijk ons ​​vermogen vergroot om de ultrasnelle dynamiek van licht te verkennen en te manipuleren.