Stellen Sie sich vor, wie ein Telefongespräch funktioniert: Ihre Stimme wird in elektronische Signale umgewandelt, auf höhere Frequenzen hochskaliert, über weite Distanzen übertragen und dann wieder herunterskaliert, damit sie am anderen Ende deutlich gehört werden kann. Der Prozess, der diese Verschiebung der Signalfrequenzen ermöglicht, wird als Frequenzmischung bezeichnet und ist für Kommunikationstechnologien wie Radio und WLAN von entscheidender Bedeutung. Frequenzmischer sind wichtige Komponenten in vielen elektronischen Geräten und arbeiten normalerweise mit Frequenzen, die Milliarden (GHz, Gigahertz) bis Billionen (THz, Terahertz) Mal pro Sekunde schwingen.
Stellen Sie sich nun einen Frequenzmischer vor, der eine Billiarde (PHz, Petahertz) Mal pro Sekunde arbeitet – also bis zu einer Million Mal schneller. Dieser Frequenzbereich entspricht den Schwingungen der elektrischen und magnetischen Felder, aus denen Lichtwellen bestehen.
Petahertz-Frequenzmischer würden es uns ermöglichen, Signale auf optische Frequenzen hochzuladen und dann wieder auf konventionellere elektronische Frequenzen herunterzuladen. Dadurch ließen sich weitaus größere Informationsmengen mit vielfach höherer Geschwindigkeit übertragen und verarbeiten. Bei diesem Geschwindigkeitssprung geht es nicht nur darum, Dinge schneller zu erledigen; er eröffnet völlig neue Möglichkeiten.
Lichtwellenelektronik (oder Petahertz-Elektronik) ist ein aufstrebendes Gebiet, das darauf abzielt, optische und elektronische Systeme bei unglaublich hohen Geschwindigkeiten zu integrieren und dabei die ultraschnellen Schwingungen von Lichtfeldern zu nutzen. Die Kernidee besteht darin, das elektrische Feld von Lichtwellen, die in Zeitskalen von unter einer Femtosekunde (10-15 Sekunden) schwingen, zu nutzen, um elektronische Prozesse direkt anzutreiben.
Dies ermöglicht die Verarbeitung und Manipulation von Informationen mit Geschwindigkeiten, die weit über das hinausgehen, was mit aktuellen elektronischen Technologien möglich ist. In Kombination mit anderen elektronischen Petahertz-Schaltkreisen würde uns ein elektronischer Petahertz-Mischer ermöglichen, riesige Informationsmengen in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren und größere Datenmengen mit beispielloser Geschwindigkeit über Funk zu übertragen.
Die Demonstration eines Lichtwellen-Elektronikmischers im Petahertz-Bereich durch das MIT-Team ist ein erster Schritt zur Beschleunigung der Kommunikationstechnologie und bringt die Forschung zur Entwicklung neuer miniaturisierter Lichtwellen-Elektronikschaltkreise voran, die optische Signale direkt im Nanobereich verarbeiten können.
In den 1970er Jahren begannen Wissenschaftler, Möglichkeiten zu erforschen, die elektronische Frequenzmischung mithilfe von Dioden bis in den Terahertz-Bereich auszudehnen. Diese frühen Bemühungen waren zwar vielversprechend, doch der Fortschritt stagnierte jahrzehntelang. Doch in jüngster Zeit haben Fortschritte in der Nanotechnologie diesem Forschungsbereich neuen Auftrieb gegeben. Forscher entdeckten, dass winzige Strukturen wie Nadelspitzen im Nanometerbereich und plasmonische Antennen ähnlich wie diese frühen Dioden funktionieren könnten, allerdings bei viel höheren Frequenzen.
Eine aktuelle Studie veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte von Matthew Yeung, Lu-Ting Chou, Marco Turchetti, Felix Ritzkowsky, Karl K. Berggren und Phillip D. Keathley am MIT hat einen bedeutenden Fortschritt gezeigt. Sie entwickelten einen elektronischen Frequenzmischer zur Signalerkennung, der mit winzigen Nanoantennen über 0,350 PHz hinaus funktioniert. Diese Nanoantennen können verschiedene Lichtfrequenzen mischen und ermöglichen so die Analyse von Signalen, die um Größenordnungen schneller oszillieren als die schnellsten, die mit konventioneller Elektronik möglich sind.
Derartige elektronische Geräte im Petahertz-Bereich könnten Entwicklungen ermöglichen, die letztlich Bereiche revolutionieren, in denen eine präzise Analyse extrem schneller optischer Signale erforderlich ist, wie etwa in der Spektroskopie und Bildgebung, wo die Erfassung von Dynamiken im Femtosekunden-Bereich von entscheidender Bedeutung ist (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde).
Die Studie des Teams beleuchtet die Verwendung von Nanoantennennetzwerken zur Schaffung eines breitbandigen, elektronischen optischen Frequenzmischers auf einem Chip. Dieser innovative Ansatz ermöglicht die genaue Ausgabe optischer Wellenformen mit einer Bandbreite von mehr als einer Oktave. Wichtig dabei ist, dass dieser Prozess mit einem kommerziellen, schlüsselfertigen Laser funktionierte, der von der Stange gekauft werden kann, und nicht mit einem hochgradig kundenspezifischen Laser.
Obwohl optische Frequenzmischung mit nichtlinearen Materialien möglich ist, handelt es sich hierbei um einen rein optischen Prozess (d. h., er wandelt Lichteinfall in Lichtaustritt mit einer neuen Frequenz um). Darüber hinaus müssen die Materialien mehrere Wellenlängen dick sein, was die Gerätegröße auf den Mikrometerbereich beschränkt (ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters).
Im Gegensatz dazu verwendet die von den Autoren demonstrierte Lichtwellenelektronik-Methode einen lichtgetriebenen Tunnelmechanismus, der hohe Nichtlinearitäten für die Frequenzmischung und die direkte elektronische Ausgabe unter Verwendung von Geräten im Nanometermaßstab bietet (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters).
Während sich diese Studie auf die Charakterisierung von Lichtimpulsen unterschiedlicher Frequenzen konzentrierte, gehen die Forscher davon aus, dass ähnliche Geräte es ermöglichen werden, Schaltkreise mithilfe von Lichtwellen zu konstruieren. Dieses Gerät mit Bandbreiten von mehreren Oktaven könnte neue Möglichkeiten zur Untersuchung ultraschneller Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie bieten und so die Weiterentwicklung ultraschneller Quellentechnologien beschleunigen.
Diese Arbeit erweitert nicht nur die Grenzen des Möglichen in der optischen Signalverarbeitung, sondern schließt auch die Lücke zwischen den Bereichen Elektronik und Optik. Durch die Verbindung dieser beiden wichtigen Forschungsbereiche ebnet diese Studie den Weg für neue Technologien und Anwendungen in Bereichen wie Spektroskopie, Bildgebung und Kommunikation und verbessert letztendlich unsere Fähigkeit, die ultraschnelle Dynamik des Lichts zu erforschen und zu manipulieren.
Weitere Informationen:
Matthew Yeung et al, Lichtwellen-elektronische harmonische Frequenzmischung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq0642
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