Nanomodulator aus Silber-Atom für Netzwerke der Zukunft

Forscher der ETH Zürich um Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation, haben den kleinsten integriert optischen Schalter der Welt geschaffen. Durch das Anlegen einer kleinen Spannung wird ein Atom verschoben und der Schalter ist an- oder ausgeschaltet. [...]

Angesichts des anhaltenden, explosiven Datenwachstums stehen die Anbieter von Netzwerkkomponenten vor großen Herausforderungen. Um auch in Zukunft bestehen zu können, muss die Infrastruktur immer schneller und effizienter funktionieren.

Zu diesen Komponenten gehören innerhalb von Glasfaser-Netzen auch die Modulatoren, welche die Information, die zunächst in elektrischer Form vorliegt, in optische Signale umwandeln. Modulatoren sind also nichts anderes als schnelle elektrische Schalter, welche ein Lasersignal im Takt der eingehenden elektrischen Signale an- oder ausschalten. Modulatoren werden in Rechenzentren zu Tausenden verbaut. Diese haben allerdings noch immer den Nachteil, dass sie ziemlich groß sind. Sie messen einige Zentimeter und brauchen, in großer Zahl eingesetzt, viel Platz.

VOM MIKRO- ZUM NANOMODULATOR

Dass es kleiner und energieeffizienter geht, bewies die Arbeitsgruppe von Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation, schon vor einem halben Jahr. Damals stellten die Forscher einen Mikromodulator vor, der nur noch 10 Mikrometer misst und damit um den Faktor 10.000 kleiner ist als kommerziell verwendete Modulatoren. Nun legen Leuthold und seine Mitarbeiter noch einen Zahn zu. Sie entwickelten den kleinsten optischen Modulator der Welt. Ihre neuste Entwicklung wurde soeben in der Fachzeitschrift „Nano Letters“ vorgestellt.

Kleiner geht es wohl nicht mehr: Dieses Bauteil arbeitet auf dem Niveau von einzelnen Atomen. Dies entspricht einer weiteren Verkleinerung um den Faktor 1000, wenn man den Schalter samt Lichtleiter miteinbezieht. Der eigentliche Schalter ist allerdings noch kleiner – atomar klein. Der Modulator ist sogar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Für die optische Signalübertragung in der Telekommunikation wird Laserlicht von einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer benutzt. Normalerweise bestimmt diese Größe die kleinstmögliche Dimension des Bauteils. „Bis vor kurzem hielt selbst ich es für unmöglich, dass wir dieses Limit noch unterbieten können“, betont Leuthold.

NEUER AUFBAU

Doch sein Postdoc Alexandros Emboras hat die Gesetze der Optik Lügen gestraft, indem er eine neue Anordnung für den Bau eines Modulators realisierte. Dieser Aufbau hat es ermöglicht, in die Größenordnung von einzelnen Atomen vorzudringen, obwohl die Forscher Licht mit „Standard-Wellenlänge“ verwendeten.

Emboras Modulator besteht aus zwei winzigen Plättchen, einem aus Silber und einem aus Platin, auf einem Lichtwellenleiter aus Silizium. Die beiden Plättchen sind in einem Abstand von bloß wenigen Nanometern nebeneinander angeordnet, wobei eine kleine Ausbuchtung des Silberplättchens in den Spalt hineinragt und das Platinplättchen beinahe berührt.

KURZSCHLUSS DANK SILBERATOM

Und so funktioniert der Modulator: Licht, das aus einer Glasfaser austritt, wird über den Lichtwellenleiter zum Eingang des Spalts geleitet. Über der metallischen Oberfläche wandelt sich das Licht in ein Oberflächen-Plasmon um. Von Plasmonen spricht man, wenn Licht die Energie an Elektronen der äußersten Atomschicht der Metalloberfläche abgibt und diese zu Schwingungen anregt. Diese Elektronenoszillationen haben einen viel geringeren Durchmesser als der Lichtstrahl selbst. So können diese in den Spalt eindringen und die enge Stelle passieren. Auf der anderen Seite des Spaltes können die Elektronenschwingungen wieder in optische Signale umgewandelt werden.