新型材料有望帶來超快全光通信技術

小顧

美國普渡大學研究人員開發出一種新的“等離子氧化材料”，有望帶來超快全光通信技術，至少比傳統技術要快10倍。相關論文發表在美國光學協會的《光學》雜志上。

光通信是用激光脈沖沿光纖來傳輸信息，用于電話服務、互聯網和有線電視；而全光技術無論是數據流還是控制信號都是光脈沖，不用任何電信號來控制系統。論文第一作者、博士生納薩尼爾·金賽說，對數據傳輸來說，能調制反射光的量是必要條件，“我們能設計一種薄膜使反射光增加或減少，利用光反射的增減來編碼數據，反射的變化會導致傳輸的變化。”

研究人員證明了鋁摻雜氧化鋅（AZO）制造出的光學薄膜材料是可調制的。他們用鋁摻雜氧化鋅，在氧化鋅中浸滿了鋁原子以改變材料的光學性質，使它在特定波長下變得像一種金屬，而在其他波長下像高電阻介質。AZO薄膜的折射率接近于零，它能利用電子云狀的表面等離激元來控制光。脈沖激光會改變AZO的折射率，從而調制反射光的量。這種材料能在近紅外光譜范圍工作，可用在光通訊中，并與互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容。

研究人員的設想是利用這種材料來創造一種“全光等離子調制器”，或叫光學晶體管。在電子設備中，硅基晶體管負責開關電源、放大信號。光學晶體管是用光而不是電來執行類似任務，會使系統運行大大加速。用脈沖激光照射這種材料，材料中的電子會從一個能級（價帶）移動到更高能級（導帶），留下空穴，并最終與這些空穴再次結合。晶體管開關的速度受限于完成這一周期的時間。在他們的AZO薄膜中，這一周期約為350飛秒，比晶體硅要快約5000倍。把這種速度提升轉化到設備中，至少比傳統硅基電子設備要快10倍。