提升光学通信带宽的方法

一项将光学信号聚焦至前所未有精度的新技术可能会带来更高效的电子系统和更高分辨率的成像设备。

美国加州理工学院（California Institute of Technology (Caltech)）的工程师们找到了一种方法可以产生比光自身波长小却能传输同等信号的光束。

这项技术有助于实现通过更窄的光束来传输数据，以增加光学通信的带宽，同时这也为体积更小、耗能更少的光学设备的出现做好了铺垫。
研究人员发明了一种2nm长的波导装置，通过既聚焦光线——仅允许大约一半的光子通过——也聚焦光线在其内部产生的振动，该装置可以使光线尺寸接近自然的极限。

这种第二类信号来源于该装置的二氧化硅结构和其金镀膜之间电子的振荡，也被称为“表面等离子体激元（SPPs）”。

由于表面等离子体激元（SPPs）是直接与光相耦合，它们（与传统信号相比）携带同等的信息和属性，也发挥代理信号的作用，即使许多光子在穿越波导装置时被吸收和散射。

之前的纳米聚焦设备（与此相比）显得效率极低，其通常只将几个百分比的光子聚焦至一条窄的光线内。新的波导装置能够在三个维度上聚焦光线，产生直径只有几个纳米的光点并且只需利用一半的光线。将光线聚焦为一个稍大的点，尺寸约为14nm×80nm，使得效率提高到了70％。

“该装置是通过标准纳米技术在半导体芯片上实现的，因此很容易与现有的技术相兼容。”该项目的协作领导人以及《自然—光子学》(Nature Photonics)杂志上一篇相关文章的合著者Hyuck Choo说道。

这种波导装置在改善光学数据通信的同时也可以用来制造高分辨率的成像设备。例如，它可以将很细的光束聚焦到含有荧光蛋白的生物细胞上。细胞内的染色分子可以以很高的分辨率将其标示出来。由于光线穿过该波导装置会向反方向传播，它也可以用来制造高分辨率的显微镜。该装置（波导管）的成型由一连串高能镓离子将不需要的金镀膜层和二氧化硅结构炸开而实现。

其它的应用还包括产生极细的激光束加热磁性硬盘的局部区域以实现数据的存储。就当前的技术而言，每平方英寸的磁盘仅可以存储一个字节的信息，而纳米聚焦设备则可以将每平方英寸的存储容量提升至50字节。

研究报告的另一位合著者，Myung-Ki Kim，说：“我们的新设备是基于基础研究的，但我们希望它能成为许多潜在、革命性工程应用的元件。”
下一步是优化设计并着手研发成像设备和传感器，Choo说道。