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：你的声音被转换为电子信号，向上移动到更高的频率，远距离传输，然后向下移动，以便在另一端清晰地听到。实现信号频率转换的过程称为混频，它对无线电和Wi-Fi等通信技术至关重要。混频器是许多电子设备中的重要组件，通常使用每秒振荡数十亿（GHz，GHz）到数万亿（THz，太赫兹）的频率运行

现在想象一下，一个混频器以每秒千万亿次（PHz，petahz）的速度工作，速度快一百万倍。该频率范围对应于构成光波的电场和磁场的振荡

Petahertz混频器将允许我们将信号向上移动到光学频率，然后再向下移动到更传统的电子频率，从而能够以更高的速度传输和处理大量的信息。这种速度的飞跃不仅仅是为了更快地做事；这是关于启用全新的功能

光波电子学（或称petahertz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。关键思想是利用在亚飞秒（10-15秒）时间尺度上振荡的光波电场直接驱动电子过程

这使得信息的处理和操纵速度远远超过了当前电子技术的速度。结合其他千万兆赫电子电路，千万兆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在空中传输大量数据

麻省理工学院团队演示了一种在千万兆赫级频率下的光波电子混频器，这是使通信技术更快的第一步，并推动了开发能够直接在纳米级处理光信号的新型小型化光波电子电路的研究

在20世纪70年代，科学家们开始探索使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，纳米级针尖和等离子体天线等微小结构的功能与早期的二极管相似，但频率要高得多

麻省理工学院的Matthew Yeung、Lu Ting Chou、Marco Turchetti、Felix Ritzkowsky、Karl K.Berggren和Phillip D.Keathley最近在《科学进展》上发表的一项研究表明，这是向前迈出的重要一步。他们开发了一种用于信号检测的电子混频器，该混频器使用微型纳米天线在0.350 PHz以上工作。这些纳米天线可以混合不同频率的光，从而能够比传统电子设备最快的速度更快地分析振荡数量级的信号

这种petahz电子设备可以实现最终彻底改变需要精确分析超快光信号的领域的发展，例如光谱学和成像，在这些领域，捕获飞秒尺度的动力学至关重要（飞秒是十亿分之一秒的百万分之一）

该团队的研究强调了使用纳米天线网络来创建宽带片上电子光混频器。这种创新方法允许精确读出跨越超过一个倍频程带宽的光波形。重要的是，这一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进行光学混频，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，材料的厚度必须是许多波长，将器件尺寸限制在微米级（微米是百万分之一米）

相比之下，作者演示的光波电子方法使用了一种光驱动的隧穿机制，该机制为混频和使用纳米级器件的直接电子输出提供了高度的非线性（纳米是十亿分之一米）

虽然这项研究侧重于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使用光波构建电路。该设备的带宽跨越多个倍频程，可以提供研究超快光物质相互作用的新方法，加速超快源技术的进步

这项工作不仅拓展了光信号处理的可能性，还弥合了电子和光学领域之间的差距。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 More information: Matthew Yeung et al, Lightwave-electronic harmonic frequency mixing, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adq0642

Journal information: Science Advances