Onderzoekers die onder Juerg Leuthold werken, Hoogleraar Fotonica en Communicatie, hebben 's werelds kleinste geïntegreerde optische schakelaar gemaakt. Het toepassen van een kleine spanning zorgt ervoor dat een atoom verplaatst, de schakelaar in- of uitschakelen.

De hoeveelheid gegevens die via communicatienetwerken over de hele wereld wordt uitgewisseld, groeit in een adembenemend tempo. Het datavolume voor bekabelde en mobiele communicatie neemt momenteel elk jaar toe met respectievelijk 23% en 57%. Wanneer deze groei stopt, is niet te voorspellen. Dit betekent ook dat alle netwerkcomponenten steeds efficiënter moeten worden gemaakt.

Deze componenten omvatten zogenaamde modulatoren, die de informatie die oorspronkelijk in elektrische vorm beschikbaar is, omzetten in optische signalen. Modulators zijn dus niets meer dan snelle elektrische schakelaars die een lasersignaal aan- of uitzetten op de frequentie van de binnenkomende elektrische signalen. Modulators worden met duizenden in datacenters geïnstalleerd. Echter, ze hebben allemaal het nadeel dat ze vrij groot zijn. Met een diameter van enkele centimeters, ze nemen veel ruimte in beslag als ze in grote aantallen worden gebruikt.

Van micromodulators tot nanomodulators

Zes maanden geleden, een werkgroep onder leiding van Jürg Leuthold, Hoogleraar Fotonica en Communicatie wist al te bewijzen dat de technologie kleiner en energiezuiniger kan. Als onderdeel van dat werk, de onderzoekers presenteerden een micromodulator met een diameter van slechts 10 micrometer - of 10, 000 keer kleiner dan modulatoren in commercieel gebruik.

Leuthold en zijn collega's hebben dit nu naar een hoger niveau getild door 's werelds kleinste optische modulator te ontwikkelen. En dit is waarschijnlijk zo klein als maar kan:het onderdeel werkt op het niveau van individuele atomen. De voetafdruk is daardoor verder met een factor 1 verkleind. 000 als u de schakelaar samen met de lichtgeleiders opneemt. Echter, de schakelaar zelf is nog kleiner, met een grootte gemeten op atomaire schaal. De nieuwste ontwikkeling van het team werd onlangs gepresenteerd in het tijdschrift Nano-letters .

In feite, de modulator is aanzienlijk kleiner dan de golflengte van het licht dat in het systeem wordt gebruikt. op het gebied van telecommunicatie, optische signalen worden verzonden met laserlicht met een golflengte van 1,55 micrometer. Normaal gesproken, een optisch apparaat mag niet kleiner zijn dan de golflengte die het moet verwerken. "Tot voor kort, zelfs ik dacht dat het voor ons onmogelijk was om deze limiet te overschrijden, " benadrukt Leuthold.

Nieuwe structuur

Maar zijn senior wetenschapper Alexandros Emboras bewees dat de wetten van de optica verkeerd waren door de constructie van een modulator met succes opnieuw te configureren. Deze constructie maakte het mogelijk om de orde van grootte van individuele atomen binnen te dringen, ook al gebruikten de onderzoekers licht met een "standaardgolflengte".

De modulator van Emboras bestaat uit twee kleine kussentjes, een van zilver en de andere van platina, bovenop een optische golfgeleider van silicium. De twee pads zijn naast elkaar geplaatst op een afstand van slechts enkele nanometers, met een kleine uitstulping op de zilveren pad die in de opening uitsteekt en bijna de platina-pad raakt.

Kortsluiting dankzij een zilveratoom

En zo werkt de modulator:licht dat van een optische vezel binnenkomt, wordt door de optische golfgeleider naar de ingang van de opening geleid. Boven het metalen oppervlak, het licht verandert in een oppervlakteplasmon. Een plasmon treedt op wanneer licht energie overdraagt ​​aan elektronen in de buitenste atomaire laag van het metalen oppervlak, waardoor de elektronen oscilleren met de frequentie van het invallende licht. Deze elektronenoscillaties hebben een veel kleinere diameter dan de lichtstraal zelf. Hierdoor kunnen ze de kloof ingaan en door de bottleneck gaan. Aan de andere kant van de kloof, de elektronenoscillaties kunnen weer worden omgezet in optische signalen.

Als er nu spanning op het zilveren kussentje staat, een enkel zilveratoom of, hoogstens, een paar zilveratomen bewegen naar de punt van de punt en positioneren zich aan het einde ervan. Hierdoor ontstaat er een kortsluiting tussen de zilveren en platina pads, zodat er elektrische stroom tussen hen vloeit. Dit sluit de maas in de wet voor het plasmon; de schakelaar klapt om en de status verandert van "aan" naar "uit" of omgekeerd. Zodra de spanning weer onder een bepaalde drempel zakt, een zilveratoom beweegt terug. De kloof gaat open, het plasmon stroomt, en de schakelaar is weer "aan". Dit proces kan miljoenen keren worden herhaald.

ETH-hoogleraar Mathieu Luisier, die deelnamen aan dit onderzoek, simuleerde het systeem met behulp van een krachtige computer op de CSCS in Lugano. Hierdoor kon hij bevestigen dat de kortsluiting aan de punt van de zilveren punt wordt veroorzaakt door een enkel atoom.

Een echt digitaal signaal

Omdat het plasmon geen andere keuze heeft dan helemaal of helemaal niet door de bottleneck te gaan, dit produceert een echt digitaal signaal - een één of een nul. "Hierdoor kunnen we een digitale schakelaar creëren, net als bij een transistor. We zijn al heel lang op zoek naar een oplossing als deze, " vat Leuthold samen.

tot nu toe, de modulator is niet gereed voor serieproductie. Hoewel het het voordeel heeft dat het bij kamertemperatuur werkt, in tegenstelling tot andere apparaten die werken met kwantumeffecten in deze orde van grootte, het blijft nog steeds erg traag voor een modulator:tot nu toe, het werkt alleen voor het schakelen van frequenties in het megahertz-bereik of lager. De ETH-onderzoekers willen het afstemmen op frequenties in het bereik van gigahertz tot terahertz.

Verbetering van het lithografieproces

Ook willen de onderzoekers de lithografiemethode verder verbeteren, die door Emboras helemaal opnieuw is ontwikkeld om de onderdelen te bouwen, zodat componenten als deze in de toekomst betrouwbaar kunnen worden geproduceerd. Momenteel, fabricage is slechts in één op de zes pogingen succesvol. Hoe dan ook, vinden de onderzoekers dit een succes, aangezien lithografische processen op atomaire schaal onontgonnen terrein blijven.

Om zijn onderzoek naar de nanomodulator voort te zetten, Leuthold heeft zijn team versterkt. Echter, hij wijst erop dat er meer middelen nodig zijn om een ​​commercieel beschikbare oplossing te ontwikkelen. Ondanks dit, de ETH-hoogleraar heeft er alle vertrouwen in dat hij en zijn team de komende jaren met een werkbare oplossing kunnen komen.