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纳米技术专家创造了第一台太赫兹速度的偏振光学开关
发布时间:2017-10-30 08:55:10 阅读:278

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 张倬铖 编译

前桑迪亚国家实验室博士后研究员杨元木(左),桑迪亚研究员Igal Brener在光学实验室进行测试。Brener领导的团队发表了一篇“自然光子学”论文,介绍了以太赫兹速度进行光信息处理的工作,速度远高于今天通过电子方式实现的速度。 来源:Randy Montoya

    桑迪亚(Sandia)国家实验室牵头的团队首次使用光学器件而不是电子产品,将纳米厚度的薄膜器件以万亿次的速度,从完全黑暗切换到完全透明或者光学的。

    由首席研究员Igal Brener领导的团队今年春天在北卡罗来纳州立大学与合作者发表了一篇Nature Photonics论文。 本文介绍了光信息处理的研究,例如使用光作为控制光的切换或光偏振控制,以太赫兹速度,比当前通过电子装置可实现的速度快得多,并且比其他全光学交换技术具有更小的整体装置尺寸。

    在电信设备中旋转的电子具有速度限制,因为其充电速度慢、散热差。因此,如果目标是明显更快的速度,则电子可能必须让位于光子。

    为了有效地使用光子,该技术需要一种以太赫兹速度从完全光学的到彻底变暗的设备。在过去,研究人员无法以小型设备所需的速度从光开关获得必要的对比度变化。以前的尝试更像是调光,而不是把它关掉,或者需要光长途旅行。

    这个突破表明,在一个非常薄的设备中进行高对比度全光切换,其中光强度或极化被光学切换,曾任桑迪亚实验室博士后工作的前身为综合纳米技术中心的部门负责人杨元木表示。工作是在CINT完成的。

    “目标是以比现在可实现的速度快得多的速度开关,而不是打开和关闭电流。”杨说。

    更快的信息处理,在通信、物理研究方面很重要

    一个非常快速和紧凑的交换平台开辟了一种新的基本物理问题的方法。 “很多物理过程实际上以非常快的速度,以几兆赫的速率发生,”杨说, “使用这个工具可以让我们研究物理过程的动力学,如分子旋转和磁旋转,这对研究和进一步推动知识至关重要。

    Brener说,它也可以作为快速偏振开关——极化改变光的特性——可以用于生物成像或化学光谱。 “有时候,你需要以非常快的速度进行光线偏振的测量,我们的设备也可以像这样工作,它既可以是纯粹的开关,也可以只切换光的极化。

    “超快信息处理”在计算、电子通信、信号处理、图像处理以及化学和生物学实验中都是很重要的,”Brener说,“有一些基于激光的成像技术将受益于快速切换。”

    该团队的发现,源于能源部基础能源科学部材料科学与工程部资助的研究,除此之外,桑迪亚还研究了光子相互作用和纳米光子学中的不同概念。

    “这是一个例子,它只是从基础研究有机地成长为一个惊人的表现,”布伦纳说。 “而且,我们很幸运,我们与北卡罗来纳州立大学合作,他们有材料,我们意识到我们可以用它来实现这个目的。它不是由一个应用项目驱动,而是相反的。“

    技术使用激光束携带信息、开关装置

    该技术使用两个激光束,一个携带信息,另一个打开和关闭该设备。

    切换光束使用光子将半导体内部的电子加热到几千华氏度的温度,这不会导致样品变热,但会显著改变材料的光学性质。该材料也可以在几百飞秒或几十亿分之一秒内以太赫兹速度放松。 “所以我们可以以每秒几万亿次的速度开关这种材料,”杨说。

    桑迪亚研究人员通过创建一种称为等离子体激元的物体来开启和关闭光开关,将光限制在几十纳米,并显著提高了光物质的相互作用。通过使用来自北卡罗来纳州的特殊等离子体激元材料掺杂的氧化镉,他们建立了高质量的等离子体腔。在掺杂的镉氧化物中加热电子,显著地改变了等离子体激元腔的光电特性,调制了反射光的强度。

    传统的等离子体激元材料,如金或银对光控光束几乎不敏感。将光束照射到它们上不会从光到暗改变其性质,反之亦然。然而,光控制光束非常快速地改变掺杂的氧化镉腔,从而控制其光学特性,正如一个开关一样。

    Brener说,下一步是找出如何使用电脉冲而不是光脉冲激活开关,因为全光学方法仍然需要大型设备。他估计工作可能需要三到五年时间。

    “为了实际的目的,你需要将设备小型化和电气化,”他说。

    这篇论文的作者有桑迪亚实验室的杨,布伦,萨尔瓦多•坎皮内,威利•卢克和麦克•辛克莱,和北卡罗来纳州的乔恩保罗玛丽亚,凯尔凯利和爱德华•萨奇。

 
 

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