Forskare vid ETH Zürich har utvecklat den första opto-elektroniska kretskomponenten som fungerar utan glas och istället är gjord av metall. Komponenten, kallad en modulator, konverterar elektriska datasignaler till optiska signaler. Det är mindre och snabbare än strömmodulatorer, och mycket enklare och billigare att göra.

Optiska komponenter för mikroelektronik måste vara gjorda av glas. Metaller är inte lämpliga för detta ändamål, eftersom optiska data bara kan spridas över ungefär ett avstånd av 100 mikrometer. Detta var forskarnas allmänna uppfattning tills nyligen. Ett team av forskare under ledning av Juerg Leuthold, professor vid institutionen för informationsteknik och elektroteknik, har nu lyckats göra det man trodde var omöjligt och utvecklat en ljusbearbetningskomponent av metall. Forskarna har presenterat sina resultat i det senaste numret av tidskriften Vetenskap .

De uppnådde denna bedrift genom att bygga en tillräckligt liten komponent:på bara 3 x 36 mikrometer, den ligger inom ett storleksintervall där både optisk och elektrisk information kan spridas i metaller.

Komponent för fiberoptiska nät

Komponenten är en modulator:modulatorer omvandlar elektriska datasignaler till optiska signaler. De installeras i moderna internetrouter som används för fiberoptiska nätverk och möjliggör fiberoptiska dataförbindelser mellan datorenheter i datacenter. Dock, standardkomponenterna som används idag fungerar annorlunda än de nya modulatorerna.

Den nya komponenten fungerar genom att rikta ljuset från en fiberoptisk källa mot modulatorn, vilket får elektronerna på dess yta att svänga. Experter kallar detta en ytplasmonoscillation. Denna oscillation kan ändras indirekt av elektriska datapulser. När elektronernas oscillation omvandlas tillbaka till ljus, den elektriska informationen är nu kodad på den optiska signalen. Detta innebär att informationen omvandlas från en elektrisk till en optisk datapuls som kan överföras via fiberoptik.

Snabbare och mindre

Två år sedan, Leuthold och hans kollegor utvecklade en av dessa plasmoniska modulatorer. Just då, det var den minsta och snabbaste modulator som någonsin byggts, men halvledarkretsen hade fortfarande olika glaskomponenter.

Genom att ersätta alla glaskomponenter med metalliska, forskarna har lyckats bygga en ännu mindre modulator som fungerar upp till högsta hastighet. "I metaller, elektroner kan röra sig i praktiskt taget vilken hastighet som helst, Hastigheten i glas är begränsad på grund av dess fysiska egenskaper, "säger Masafumi Ayata, en doktorand i Leutholds grupp och huvudförfattare till studien. I experimentet, forskarna lyckades överföra data med 116 gigabit per sekund. De är övertygade om att med ytterligare förbättringar, ännu högre dataöverföringshastigheter kommer att vara möjliga.

Etsad av ett guldskikt

Modulatorprototypen som testats av ETH -forskarna är gjord av ett guldskikt som ligger på en glasyta. Forskarna betonade att glaset inte har någon funktion. "I stället för glasskiktet, vi kan också använda andra lämpliga släta ytor, "säger Leuthold. Det kan också vara möjligt att använda billigare koppar istället för guld för industriella tillämpningar. Den viktiga punkten är att det bara krävs en metallbeläggning för de nya modulatorerna." Detta gör dem mycket enklare och billigare att tillverka, säger Leuthold.

Forskarna arbetar redan med en industriell partner för att omsätta den nya modulatorn i praktiken, och samtal med andra partners pågår. Dock, Leuthold tror att ytterligare utveckling kan krävas innan tekniken är redo för marknaden; till exempel, han förväntar sig att den nuvarande förlusten av signalstyrka under modulering kan reduceras ytterligare.

För datorer och autonoma fordon

Den nya modulatorn kan en dag användas inte bara för telekommunikationsapplikationer, men även för datorer. "Dataindustrin överväger att använda fiberoptik för att överföra data mellan de enskilda chipsen inuti datorer, "säger Leuthold. Men detta skulle kräva små modulatorer - som Leuthold och hans team har utvecklat.

I sista hand, det är också tänkbart att modulatorerna kan användas i displayer - inklusive böjbara - och optiska sensorer, som de i Lidarsystemet för avståndsmätning som används i (semi-) autonoma bilar.