纳米结构使片上光波电子混频器成为可能

想象一下电话是如何工作的：您的声音被转换成电子信号，频率升高，传输到很远的距离，然后再降低，这样另一端就可以清楚地听到。实现信号频率转换的过程称为混频，它对于无线电和Wi-Fi等通信技术至关重要。混频器是许多电子设备中不可或缺的组件，通常使用每秒振荡数十亿次(GHz，千兆赫)至数万亿次(THz，太赫兹)的频率运行。

现在想象一下，一个频率混频器以每秒千万亿次(PHz，拍赫兹)的速度工作——最高可达一百万倍。这个频率范围对应于构成光波的电场和磁场的振荡。

千兆赫频率混频器可让我们将信号调高至光频率，然后再调低至更传统的电子频率，从而能够以高出许多倍的速度传输和处理大量信息。这种速度上的飞跃不仅仅是速度更快，而是实现了全新的功能。

光波电子学(或拍赫兹电子学)是一个新兴领域，旨在利用光场的超快振荡，以极高的速度集成光学和电子系统。其关键思想是利用以亚飞秒(10-15秒)时间尺度振荡的光波电场来直接驱动电子过程。

这使得信息处理和处理的速度远远超出了当前电子技术所能达到的速度。与其他千兆赫电子电路相结合，千兆赫电子混频器将使我们能够实时处理和分析大量信息，并以前所未有的速度通过无线方式传输大量数据。

麻省理工学院的研究小组演示了拍赫兹级频率的光波电子混频器，这是加快通信技术速度的第一步，并推动了能够直接在纳米级处理光信号的新型微型光波电子电路的研究。

20世纪70年代，科学家开始探索利用二极管将电子混频扩展到太赫兹范围的方法。虽然这些早期的努力显示出了希望，但进展停滞了几十年。然而，最近纳米技术的进步重新点燃了这一研究领域。研究人员发现，纳米长度的针尖和等离子体天线等微小结构可以发挥与早期二极管类似的功能，但频率要高得多。

麻省理工学院的MatthewYeung、Lu-TingChou、MarcoTurchetti、FelixRitzkowsky、KarlK.Berggren和PhillipD.Keathley最近在《科学进展》上发表了一项研究，该研究展示了一项重大进展。他们开发了一种用于信号检测的电子混频器，使用微型纳米天线，工作频率超过0.350PHz。这些纳米天线可以混合不同频率的光，从而能够分析比传统电子设备所能达到的最快振荡速度快几个数量级的信号。

这种千兆赫电子设备可以推动最终彻底改变需要精确分析极快光信号的领域的发展，例如光谱和成像，在这些领域中，捕捉飞秒级的动态至关重要(一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一)。

该团队的研究重点是利用纳米天线网络创建宽带片上电子光学混频器。这种创新方法可以准确读出跨越一个八度以上带宽的光波形。重要的是，这个过程使用的是可以现成购买的商用交钥匙激光器，而不是高度定制的激光器。

虽然使用非线性材料可以实现光频混合，但该过程是纯光学的(即，它将光输入转换为新频率的光输出)。此外，材料的厚度必须为多个波长，从而将设备尺寸限制在微米级(一微米是一米的百万分之一)。

相比之下，作者展示的光波电子方法采用光驱动隧穿机制，该机制为频率混合提供高非线性，并使用纳米级设备(一纳米是十亿分之一米)实现直接电子输出。

虽然这项研究的重点是表征不同频率的光脉冲，但研究人员设想，类似的设备将使人们能够利用光波构建电路。这种设备的带宽跨越多个倍频程，可以提供研究超快光与物质相互作用的新方法，加速超快光源技术的进步。

这项研究不仅突破了光信号处理的可能性，还填补了电子学和光学领域之间的空白。通过连接这两个重要的研究领域，这项研究为光谱学、成像和通信等领域的新技术和应用铺平了道路，最终提高了我们探索和操纵光的超快动力学的能力。

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