De huidige samenleving groeit in bevolking en de productiviteit stelt steeds hogere eisen aan internet, en zonder wetenschappelijke ontwikkelingen om manieren te vinden om aan onze verkeersbehoeften te voldoen, het zal beginnen te verstoppen. Fotonen in kaart brengen op een metalen oppervlak en ze omzetten in een bepaald soort elektronenoscillaties, plasmonen genoemd, onderzoekers uit Zwitserland, Duitsland en de VS werkten samen aan de ontwikkeling van een nieuwe manier om informatie te verstrekken aan de lichtsignalen die via de glasvezelnetwerken van internet worden verzonden.

Hun werk om deze breedband plasmonische modulatoren te ontwikkelen, die werken met een limiet van meer dan 100 Gbit/s voor fotonische apparaten voor een enkele drager, zal worden gepresenteerd op de Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), gehouden van 19-23 maart in Los Angeles, Californië, VS.

De sprong van het verzenden van elektronische signalen over draden naar het verzenden van optische signalen over vezels zorgde voor een revolutie op het internet, met aanzienlijk hogere capaciteit en overdrachtssnelheden. De elektronische chipsignalen van computers werden gecodeerd in licht als modulaties, die dan met relativistische snelheden door optische vezels kunnen reizen.

We hebben nu een punt bereikt, echter, waar het omzetten van de elektrische signalen in optische signalen een knelpunt kan zijn voor optische communicatie.

Vul in:plasmonen. Plasmonen zijn golven in de energetisch vloeistofachtige "zee" van elektronen op veel geleidende metalen zoals goud. Net als rimpelingen van water op het oppervlak van een vijver van een overspringende rots, plasmonen dragen energie van licht dat een oppervlak raakt als golven van collectief oscillerende elektronen. Onder de juiste omstandigheden, licht kan deze microscopisch kleine plasmonen opwekken en het signaal van een lichtgolf - puur fotonisch van aard - omzetten in een plasmon dat zich langs het oppervlak van metaal voortbeweegt.

"In plaats van te vertrouwen op fotonica, we werken nu met plasmonica, " zei Claudia Hoessbacher, de hoofdauteur van het artikel en een lid van het Institute of Electromagnetic Fields aan de ETH in Zürich, Zwitserland. "Het werk werd getriggerd door ons te realiseren dat we de grenzen van siliciumfotonica hebben bereikt. Silicium zou ons niet langer een hogere snelheid geven, het zou ons ook niet in staat stellen compacter te worden."

Het nieuwe modulatorapparaat heeft twee sets gouden elektrodenparen, gescheiden door een smalle sleuf van minder dan honderd nanometer breed, honderden keren kleiner dan een mensenhaar. De sleuven zijn gevuld met een organisch elektro-optisch materiaal waarvan de lichtbrekingseigenschappen voorspelbaar veranderen in een aangelegd elektrisch veld.

Goud is een van de meest plasmonisch actieve elementen en deze met silicium gevulde gaten fungeren als golfgeleiders voor plasmonen. De hele opstelling vormt een micro-interferometer, waarbij het resulterende gemoduleerde signaal voortkomt uit de combinatie van de signalen die door elk van de twee elektro-optische materiaalpaden gaan.

Omdat deze plasmonische componenten van metaal zijn, ze hebben het extra voordeel dat ze mogelijk als hun eigen elektrische contacten dienen.

De grootste voordelen van deze modulatoren, echter, zijn hun compacte formaat en aanzienlijk grote bandbreedte, die een groter volume aan informatiestroom mogelijk maakt door een breder spectrum aan frequenties te ondersteunen. De grote bandbreedte is te danken aan een bijna onmiddellijke reactie van de elektronen op elektromagnetische velden. Hoewel plasmonen niet efficiënt lange afstanden afleggen, hun compacte formaat minimaliseert dit nadeel.

"In eerste instantie we waren bang dat de verliezen te hoog zouden zijn omdat bekend is dat de plasmonische verliezen hoog zijn, " zei Leuthold, die aan het hoofd staat van het onderzoeksinstituut van de ETH. "Onze tweede generatie van het apparaat bracht de doorbraak. We realiseerden ons dat niet-lineariteiten veel hoger waren dan wat je normaal zou verwachten. Dankzij deze hoge niet-lineariteiten konden we korte apparaten maken en dus zouden de verliezen ook voldoende laag zijn."

Het kleine formaat van deze nieuwe toestellen is niet geheel zonder nadelen. Het compacte formaat van de microscopische modulatoren betekent ook dat ze productie-uitdagingen vormen. Voor zulke nauwkeurige assemblages, de groep gebruikte lithografische technieken, waar zorgvuldig belichte lichtpatronen chemische processen aansturen die de gewenste elektrodepatronen achterlaten.

"Als je begint te werken met apparaten die subdiffractiedimensies hebben (d.w.z. ver onder de golflengte), dan is de ultieme uitdaging om de fabricage onder de knie te krijgen, "Zei Leuthold. "We hebben lithografische resoluties nodig in de orde van 20 tot 40 nanometer."

Met behulp van modulatieformaten die bekend zijn bij de optische communicatiegemeenschap, onderzoekers testten de respons van het apparaat over een bereik van 170 GHz. Dit was zo'n breed scala aan frequenties, ze moesten vijf verschillende opstellingen bedenken om alle geteste radiofrequentiesignalen te genereren. Volgens Leuthold dit werk wordt voortgezet in de hoop op nog betere resultaten en mogelijke toepassingen voor de volgende generatie optische communicatieverbindingen.