I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca propongono un metodo per prevedere con precisione il livello di rumore causato dall'amplificazione dei segnali fotonici e plasmonici nei circuiti optoelettronici su scala nanometrica. Nella loro ricerca pubblicata in Revisione fisica applicata , gli scienziati descrivono un approccio che può essere utilizzato per valutare le velocità di trasferimento dati finali nei microprocessori optoelettronici emergenti e scoprire i limiti fondamentali sulla larghezza di banda delle interfacce nanofotoniche.

I polaritoni plasmonici di superficie sono oscillazioni collettive di elettroni su una superficie metallica accoppiata a un campo elettromagnetico. Un plasmone di superficie potrebbe essere visto come un quanto di luce compresso, e questo spiega perché i dispositivi plasmonici sono promettenti per molte applicazioni:sono compatti quasi quanto i componenti nanoelettronici, ma allo stesso tempo, consentono velocità di trasferimento dati fino a quattro ordini di grandezza superiori ai cavi elettrici. Sostituire anche solo alcune delle interconnessioni elettriche su un chip con componenti plasmonici (nanofotonici) darebbe una spinta tanto necessaria alle prestazioni del microprocessore.

Il principale ostacolo attualmente affrontato dalla plasmonica è l'attenuazione del segnale. A causa delle perdite elevate, i plasmoni di superficie possono propagarsi su lunghe distanze solo nelle cosiddette guide d'onda plasmoniche attive. Tali guide d'onda non solo guidano il segnale plasmonico dal trasmettitore al ricevitore ma lo amplificano anche sfruttando l'energia della corrente elettrica che scorre attraverso il dispositivo. Questa energia aggiuntiva compensa le perdite di segnale e consente ai plasmoni di superficie di propagarsi liberamente lungo la guida d'onda, proprio come l'energia fornita da una batteria fa ticchettare un orologio al quarzo.

Però, esiste un problema fondamentale associato all'amplificazione del segnale e alla compensazione delle perdite. Ogni amplificatore non si limita ad aumentare l'ampiezza dell'ingresso, ma aggiunge anche alcuni segnali casuali indesiderati. I fisici si riferiscono a questi segnali come rumore. Secondo le leggi della termodinamica, è impossibile rimuovere tutto il rumore da un sistema. La distorsione del segnale originale è in gran parte determinata dal rumore, che fondamentalmente limita le velocità di trasferimento dei dati e causa errori nei bit ricevuti se le informazioni vengono trasferite a velocità più elevate. Per aumentare la velocità di trasferimento dei dati, il rapporto segnale-rumore deve essere migliorato. L'importanza di questo rapporto è evidente a chiunque abbia avuto l'esperienza di parlare con qualcuno in una strada trafficata o di sintonizzarsi su una stazione radio.

"Il rumore gioca un ruolo chiave in quasi la metà di tutti i dispositivi nelle nostre case, dai telefoni cellulari e dai televisori ai canali in fibra ottica che sono la spina dorsale di Internet ad alta velocità. L'amplificazione del segnale riduce inevitabilmente il rapporto segnale-rumore. Infatti, più guadagno fornisce un amplificatore, o, nel nostro caso, maggiore è la perdita di segnale che deve compensare, maggiore è il livello di rumore che produce. Questo problema è particolarmente pronunciato nelle guide d'onda plasmoniche con guadagno, "dice Dmitry Fedyanin.

Un recente studio di Fedyanin e Andrey Vyshnevyy pubblicato su Revisione fisica applicata si occupa di un particolare tipo di rumore:il rumore fotonico prodotto quando i segnali plasmonici vengono amplificati nei dispositivi a semiconduttore. La sua causa principale è la cosiddetta emissione spontanea. Quando un segnale fotonico viene amplificato, la potenza dell'onda ottica aumenta a causa delle transizioni degli elettroni da uno stato energetico superiore a uno inferiore:la differenza di energia tra i due stati energetici viene rilasciata come quanti di luce. Questa emissione può essere sia stimolata che spontanea.

Mentre l'emissione stimolata amplifica il segnale, l'emissione spontanea produce quanti casuali di varie energie, cioè., rumore ad ampio spettro. Il rumore può essere osservato come fluttuazioni casuali della potenza del segnale derivanti dall'interferenza delle componenti in frequenza del segnale e dell'emissione spontanea (questo fenomeno è noto come "battito"). Qualsiasi aumento del guadagno fornito da un amplificatore aumenta il livello di rumore e amplia gli spettri di emissione, sia stimolato che spontaneo. L'applicabilità degli approcci consolidati dell'ottica quantistica, che hanno lo scopo di descrivere l'interazione della luce con i singoli atomi, diminuisce man mano che gli spettri nel sistema studiato diventano più ampi. Per affrontare il caso dell'amplificazione ad alto guadagno su scala nanometrica, i ricercatori hanno dovuto fondamentalmente iniziare il lavoro da zero.

"Abbiamo dovuto colmare il divario tra tre diverse aree della fisica che raramente si intersecano tra loro:ottica quantistica, fisica dei semiconduttori e optoelettronica. Abbiamo sviluppato un quadro teorico in grado di descrivere il rumore fotonico in strutture che incorporano mezzi attivi con un ampio spettro di guadagno. Sebbene questo approccio sia stato inizialmente concepito per guide d'onda plasmoniche con guadagno, può essere applicato senza alcuna modifica a tutti gli amplificatori ottici e sistemi simili, "Dice Fedyanin.

Il rumore causa errori durante la trasmissione, che riduce notevolmente la velocità effettiva di trasferimento dei dati a causa della necessità di implementare algoritmi di correzione degli errori. Per quanto riguarda l'hardware, il controllo degli errori richiede anche componenti aggiuntivi su chip che realizzano la correzione, rendendo i nuovi dispositivi più difficili da progettare e produrre.

"Se conosciamo la potenza del rumore in un canale di comunicazione nanofotonico, così come le sue caratteristiche spettrali, è possibile valutare la velocità massima di trasferimento dati lungo quel canale. Per di più, possiamo identificare modi per ridurre la quantità di rumore scegliendo determinati regimi di funzionamento del dispositivo e utilizzando tecniche di filtraggio ottico ed elettrico, " aggiunge Vyshnevyy.

La teoria proposta suggerisce una nuova classe di dispositivi che combinano i vantaggi dell'elettronica e della fotonica sullo stesso chip. In un chip di quel tipo, i componenti plasmonici verrebbero utilizzati per la comunicazione ultraveloce tra i core del processore e i registri. Sebbene l'attenuazione del segnale fosse precedentemente considerata il principale svantaggio del chip proposto, il recente studio di ricercatori russi mostra che non appena la perdita di segnale è stata compensata, è necessaria una tecnica per affrontare il problema del rumore. Altrimenti, il segnale potrebbe essere semplicemente soffocato dal rumore di emissione spontanea, rendendo il chip praticamente inutile.

I calcoli eseguiti dai ricercatori dimostrano che una guida d'onda plasmonica attiva con una sezione trasversale di appena 200 × 200 nanometri potrebbe essere utilizzata per trasmettere segnali su una distanza di cinque millimetri. Questo potrebbe non sembrare molto in termini di distanze che affrontiamo nella vita di tutti i giorni, ma questo numero è in realtà piuttosto tipico dei moderni microprocessori. Per quanto riguarda le velocità di trasferimento dei dati, supererebbero i 10 Gbit/s per canale spettrale, cioè., un canale di comunicazione dati che utilizza una specifica lunghezza d'onda della luce. Per non parlare del fatto che una singola guida d'onda su nanoscala può essere utilizzata contemporaneamente da diverse dozzine di questi canali spettrali se viene utilizzata la tecnologia del multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), che è uno standard in tutte le linee di comunicazione ottica inclusa Internet a banda larga. Per metterlo in prospettiva, la velocità massima di trasferimento dei dati attraverso un'interconnessione elettrica (un conduttore di rame) di dimensioni simili è di soli 20 Mbit/s, che è almeno 500 volte più lento!

Gli scienziati hanno scoperto come la potenza del rumore e le caratteristiche del rumore dipendono dai parametri delle guide d'onda plasmoniche con guadagno e hanno mostrato come il livello di rumore può essere ridotto per garantire la massima larghezza di banda dell'interfaccia nanofotonica. Hanno dimostrato che è possibile combinare una dimensione in miniatura e un basso numero di errori con un'elevata velocità di trasferimento dei dati e un'efficienza energetica relativamente elevata in un singolo dispositivo, annunciando una "svolta plasmonica" nella microelettronica che potrebbe arrivare nei prossimi 10 anni.