Investigaciones del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del Centro MIPT de Optoelectrónica a Nanoescala han desarrollado un nuevo método para la comunicación óptica en un chip, que dará la posibilidad de disminuir el tamaño de los elementos ópticos y optoelectrónicos y aumentar el rendimiento de la computadora varias veces.Según su artículo publicado en Óptica Express , han propuesto la forma de eliminar por completo las pérdidas de energía de los plasmones de superficie en dispositivos ópticos.
"Se ha propuesto previamente que los polaritones de plasmones superficiales se utilicen como portadores de información para la comunicación óptica, pero el problema es que la señal se atenúa rápidamente propagándose a lo largo de las guías de ondas plasmónicas. Ahora, nos hemos acercado mucho a la solución completa de este problema.Nuestro enfoque despeja el camino para el desarrollo de una nueva generación de chips optoelectrónicos de alto rendimiento ", dice Dmitry Fedyanin, el jefe de la investigación.
La electrónica moderna se basa en el uso de electrones como portadores de información, pero han dejado de cumplir con los requisitos contemporáneos: los cables y canales eléctricos de cobre estándar en los chips no pueden transferir información con velocidades suficientes para los microprocesadores modernos. Esto actualmente dificulta el crecimiento del rendimiento del microprocesador; por lo tanto, se requiere la implementación de nuevas tecnologías innovadoras para mantener la ley de Moore.
La transición de pulsos eléctricos a ópticos puede resolver el problema. La alta frecuencia de las ondas de luz cientos de terahercios permite transferir y procesar más datos y, por lo tanto, brinda la posibilidad de aumentar el rendimiento. Las tecnologías de fibra óptica se utilizan ampliamente en la comunicaciónredes, pero el uso de la luz en microprocesadores y elementos lógicos enfrenta el problema del límite de difracción, ya que el tamaño de las guías de onda y otros elementos ópticos no puede ser significativamente menor que la longitud de onda de la luz. Estos son micrómetros para la radiación infrarroja cercana utilizada para comunicaciones ópticas,que no cumple con los requisitos de la electrónica contemporánea. Los elementos lógicos de los procesadores contemporáneos estándar son docenas de nanómetros de tamaño. La "electrónica óptica" puede volverse competitiva solo si la luz se "comprime" a esta escala.
Es posible superar el límite de difracción con la transición de fotones a polaritones de plasmón superficial, que son excitaciones colectivas que surgen debido a la interacción entre fotones y oscilaciones de electrones en el límite entre un metal y un aislante. También se denominan cuasi partículas, porque,por sus propiedades, son bastante similares a las partículas estándar, como los fotones o los electrones. A diferencia de las ondas de luz tridimensionales, los polaritones de la superficie "mantienen" el límite entre dos medios. Esto brinda la posibilidad de cambiar de la óptica tridimensional convencional auna óptica bidimensional
"Hablando en términos generales, un fotón ocupa un cierto volumen en el espacio, que es del orden de la longitud de onda de la luz. Podemos" comprimirlo ", transformándolo en un polaritón de plasmón superficial. Con este enfoque, podemos mejorar la densidad de integración yreduzca el tamaño de los elementos ópticos. Desafortunadamente, esta solución brillante tiene su otro lado. Para que exista el polaritón de plasmón superficial, se necesita un metal, o más específicamente, un gas de electrones en el metal. Esto lleva a pérdidas de Joule excesivamente altas.a los que uno tiene cuando la corriente pasa a través de cables metálicos o resistencias ", dice el Dr. Fedyanin.
Según él, la energía del plasmón superficial cae mil millones de veces a distancias de alrededor de un milímetro debido a la absorción en el metal, lo que de hecho hace que la implementación práctica de los plasmones superficiales no tenga sentido.
"Nuestra idea es compensar las pérdidas de propagación de plasmones superficiales bombeando energía extra a los polaritones de plasmones superficiales. También debe tenerse en cuenta que, si queremos integrar guías de ondas plasmónicas en un chip, solo podemos usar bombeo eléctrico", explica elinvestigador.
Él, junto con sus colegas Dmitry Svintsov y Aleksey Arsenin del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmonics, ha desarrollado un nuevo método de bombeo eléctrico de guías de ondas plasmónicas basado en la estructura de metal-aislante-semiconductor MIS y realizó sus simulaciones.Los resultados muestran que el paso de corrientes de bombeo relativamente débiles a través de las guías de ondas plasmónicas a nanoescala ofrece la posibilidad de compensar por completo las pérdidas de propagación del plasmón superficial, lo que significa que es posible transmitir una señal a largas distancias en estándares de chip sin pérdidas.Al mismo tiempo, la densidad de integración de tales guías de ondas plasmónicas activas es un orden de magnitud mayor que la de las guías de ondas fotónicas.
"Al trabajar en optoelectrónica, siempre necesitamos encontrar un compromiso entre las propiedades ópticas y eléctricas, mientras que en plasmónica es casi imposible, ya que la elección de los metales se limita a tres o cuatro materiales. La principal ventaja del esquema de bombeo propuesto esque no depende de las propiedades del contacto del conductor del metal-semico. Para cada semiconductor, podemos encontrar un aislante apropiado, que permita alcanzar el mismo nivel de eficiencia que en los láseres de doble estructura. Al mismo tiempo, estamoscapaz de mantener el tamaño típico de la estructura plasmónica a un nivel de 100 nanómetros ", dice Fedyanin.
Las investigaciones señalan que sus resultados están a la espera de una verificación experimental, pero la dificultad clave se ha eliminado.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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