Ricercatori dell'Università di Washington, lavorando con ricercatori dell'ETH di Zurigo, Purdue University e Virginia Commonwealth University, hanno raggiunto una svolta nelle comunicazioni ottiche che potrebbe rivoluzionare la tecnologia dell'informazione.

Hanno creato un piccolo dispositivo, più piccolo di un capello umano, che traduce i bit elettrici (0 e 1 del linguaggio digitale) in luce, o bit fotonici, a velocità 10 volte superiori rispetto alle tecnologie attuali.

"Come con i precedenti progressi nella tecnologia dell'informazione, questo può avere un impatto drammatico sul nostro modo di vivere, "ha detto Larry Dalton, un professore emerito di chimica dell'UW e leader nella ricerca sulla fotonica.

Questi nuovi dispositivi elettro-ottici si avvicinano alle dimensioni degli attuali elementi del circuito elettronico e sono importanti per l'integrazione di fotonica ed elettronica su un singolo chip. La nuova tecnologia prevede anche l'utilizzo di una particella, un polaritone plasmonico, che ha proprietà intermedie tra elettroni e fotoni. Questa tecnologia di particelle ibride è denominata plasmonica.

I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Natura .

"Il dispositivo è stato costruito come modulatore plasmonico, "ha detto Christian Haffner, uno studente laureato all'ETH di Zurigo e autore principale dell'articolo. "Questo è insolito in quanto l'implementazione tradizionale si basa sulla fotonica piuttosto che sulla plasmonica. In effetti, i ricercatori evitano la plasmonica, poiché la plasmonica è conosciuta in tutta l'industria come una tecnologia che arriva al prezzo delle maggiori perdite ottiche. Eppure - e questa è di gran lunga la scoperta più spettacolare - è stato trovato un trucco per usare la plasmonica senza subire perdite così elevate".

Per aumentare la capacità di elaborazione delle informazioni di elaborazione, telecomunicazioni, tecnologie di rilevamento e controllo, i dati devono essere comunicati con un'elevata larghezza di banda su grandi distanze senza che i segnali (informazioni) si degradino, o consumare troppa energia e generare troppo calore. Ecco dove la nuova tecnologia descritta nel Natura articolo si adatta. Chiamato modulatore elettro-ottico, il dispositivo converte i segnali elettrici in segnali ottici in grado di viaggiare su cavi ottici in fibra di vetro o in modalità wireless attraverso lo spazio tramite satellite e torri cellulari. Ciò deve essere realizzato con un'eccellente efficienza energetica utilizzando dispositivi estremamente piccoli in grado di elaborare enormi quantità di dati.

"Il dispositivo deve essere molto sensibile, in grado di rispondere a campi elettrici molto piccoli. Se i campi necessari per controllare il dispositivo sono piccoli, quindi anche il consumo di energia è basso. Questo è importante in quanto l'efficienza energetica è fondamentale per tutte le applicazioni, "Il co-autore Dalton ha detto, aggiungendo, "Vuoi evitare di generare calore e il degrado delle informazioni nelle applicazioni informatiche o di telecomunicazione".

Quest'ultimo progresso fa seguito a una svolta nel 2000, quando Dalton e un team di ricercatori della UW e della University of Southern California hanno introdotto per la prima volta polimeri o plastiche elettro-ottici di nuova concezione, che erano integrati in dispositivi lunghi un centimetro che potevano funzionare con meno di un volt e con larghezze di banda superiori a 100 gigahertz. Sfortunatamente, questi dispositivi erano molto più grandi degli elementi generatori di dati elettronici e non erano adatti per l'integrazione di elementi elettronici e fotonici su un singolo chip.

Però, passaggio alla plasmonica, questo problema di impronta è stato risolto. E tutto è iniziato quando un team internazionale di scienziati e ingegneri ha deciso di migliorare il dispositivo integrando materiali elettro-ottici organici migliori con la plasmonica. I plasmoni si creano quando la luce colpisce una superficie metallica, come l'oro. I fotoni poi trasmettono parte della loro energia agli elettroni sulla superficie metallica in modo tale che gli elettroni oscillino. Queste nuove oscillazioni fotone-elettrone sono chiamate polaritoni plasmonici. Lavorare con i polaritoni plasmonici consente una drastica riduzione delle dimensioni dei circuiti ottici e del funzionamento della larghezza di banda molte volte superiore a quello della fotonica.

Rispetto alla scoperta del 2000, la larghezza di banda dei dispositivi è aumentata di quasi un fattore 10 riducendo il fabbisogno energetico di quasi 1, 000 e questo si traduce in una riduzione del riscaldamento.

Il tallone d'Achille della plasmonica, però, viene definita perdita ottica. Mentre il degrado del segnale con la distanza di trasmissione non è così grave come con l'elettronica, la degradazione del segnale con la plasmonica è molto peggiore che con la fotonica.

"I ricercatori dell'ETH e della Purdue hanno concepito un'elegante architettura del dispositivo che affronta il problema della perdita plasmonica e ottiene una perdita paragonabile a quella dei modulatori completamente fotonici utilizzando una combinazione di plasmonica e fotonica, " ha detto Dalton.

Ha chiamato il dispositivo un'elegante integrazione di elettronica, fotonica e plasmonica, utilizzando un materiale elettro-ottico organico che consente l'integrazione di tutte le opzioni di elaborazione del segnale.

"Questo è un progresso doppiamente significativo nella plasmonica e nei materiali elettroattivi organici, reso possibile attraverso l'iterazione creativa tra la previsione dei materiali, design, sintesi, e ottimizzazione degli immobili, " ha detto Linda S. Sapochak, direttore della divisione per la ricerca sui materiali presso la National Science Foundation, che ha contribuito a finanziare la ricerca.

L'integrazione dell'elettronica e della fotonica sui chip è stata riconosciuta per più di un decennio come un passo successivo critico nell'evoluzione della tecnologia dell'informazione.

La tecnologia dell'informazione è la scienza di come percepiamo il nostro mondo ed elabora e comunica tali informazioni.

Le applicazioni del nuovo dispositivo possono essere suddivise in due categorie in base alla lunghezza d'onda della luce utilizzata:le telecomunicazioni in fibra ottica e le interconnessioni ottiche nell'informatica utilizzano la luce (fotoni) a frequenze ottiche (luce infrarossa), mentre applicazioni come radar e telecomunicazioni wireless utilizzano radiazioni elettromagnetiche nelle regioni della radiofrequenza e delle microonde (luce a lunghezza d'onda lunga).

Nelle telecomunicazioni e nello spazio informatico, l'elettro-ottica prende le informazioni generate in un dispositivo elettronico (ad esempio, un processore di un computer) e trasformarlo in segnali luminosi che viaggiano su un cavo in fibra ottica o tramite una trasmissione wireless a un altro dispositivo elettronico.

"In tal senso, potresti pensare all'elettro-ottica come alle rampe di accesso dell'autostrada dell'informazione, '", ha detto Dalton.

L'elettro-ottica è anche fondamentale per molte altre applicazioni come radar e GPS. Rappresenta la tecnologia dei sensori critici, comprese applicazioni come il rilevamento di rete integrato. Per esempio, l'elettro-ottica è fondamentale per molti componenti di un veicolo autonomo e per il monitoraggio di elementi infrastrutturali come edifici e ponti. Il dispositivo è rilevante per l'elaborazione delle informazioni sia digitali che analogiche.