Forskare som arbetar under Juerg Leuthold, Professor i fotonik och kommunikation, har skapat världens minsta integrerade optiska switch. Att pålägga en liten spänning får en atom att flytta, slå på eller av strömbrytaren.

Mängden data som utbyts via kommunikationsnätverk runt om i världen växer i en hisnande takt. Datavolymen för trådbunden och mobil kommunikation ökar för närvarande med 23 % respektive 57 % varje år. Det är omöjligt att förutse när denna tillväxt tar slut. Det innebär också att alla nätverkskomponenter hela tiden måste effektiviseras.

Dessa komponenter inkluderar så kallade modulatorer, som omvandlar den information som ursprungligen finns tillgänglig i elektrisk form till optiska signaler. Modulatorer är därför inget annat än snabba elektriska omkopplare som slår på eller av en lasersignal med samma frekvens som de inkommande elektriska signalerna. Modulatorer installeras i tusentals datacenter. Dock, de har alla nackdelen att vara ganska stora. Mäter några centimeter i diameter, de tar upp mycket plats när de används i stort antal.

Från mikromodulatorer till nanomodulatorer

För sex månader sedan, en arbetsgrupp ledd av Jürg Leuthold, Professor i fotonik och kommunikation har redan lyckats bevisa att tekniken kan göras mindre och mer energieffektiv. Som en del av det arbetet, forskarna presenterade en mikromodulator som mäter bara 10 mikrometer tvärs över - eller 10, 000 gånger mindre än modulatorer i kommersiellt bruk.

Leuthold och hans kollegor har nu tagit detta till nästa nivå genom att utveckla världens minsta optiska modulator. Och detta är förmodligen så litet som det kan bli:komponenten fungerar på nivån för enskilda atomer. Fotavtrycket har därför minskat ytterligare med en faktor 1, 000 om du inkluderar strömbrytaren tillsammans med ljusguiderna. Dock, själva strömbrytaren är ännu mindre, med en storlek mätt på atomskalan. Teamets senaste utveckling presenterades nyligen i tidskriften Nanobokstäver .

Faktiskt, modulatorn är betydligt mindre än våglängden för ljuset som används i systemet. Inom telekommunikation, optiska signaler sänds med laserljus med en våglängd på 1,55 mikrometer. I vanliga fall, en optisk anordning kan inte vara mindre än den våglängd den ska bearbeta. "Tills nyligen, till och med jag trodde att det var omöjligt för oss att underskrida denna gräns, " betonar Leuthold.

Ny struktur

Men hans seniorforskare Alexandros Emboras visade att optikens lagar var felaktiga genom att framgångsrikt konfigurera om konstruktionen av en modulator. Denna konstruktion gjorde det möjligt att penetrera storleksordningen för enskilda atomer, även om forskarna använde ljus med en "standardvåglängd".

Emboras modulator består av två små dynor, en gjord av silver och den andra av platina, ovanpå en optisk vågledare gjord av kisel. De två kuddarna är anordnade bredvid varandra på ett avstånd av bara några nanometer, med en liten utbuktning på silverkudden som sticker ut i springan och nästan rör vid platinakudden.

Kortslutning tack vare en silveratom

Och så här fungerar modulatorn:ljus som kommer in från en optisk fiber leds till ingången av gapet av den optiska vågledaren. Ovanför den metalliska ytan, ljuset förvandlas till en ytplasmon. En plasmon uppstår när ljus överför energi till elektroner i det yttersta atomskiktet på metallytan, får elektronerna att oscillera med frekvensen av det infallande ljuset. Dessa elektronoscillationer har en mycket mindre diameter än själva ljusstrålen. Detta gör att de kan komma in i gapet och passera genom flaskhalsen. På andra sidan klyftan, elektronoscillationerna kan omvandlas tillbaka till optiska signaler.

Om en spänning nu läggs på silverkudden, en enda silveratom eller, som mest, några silveratomer rör sig mot spetsen av spetsen och placerar sig i slutet av den. Detta skapar en kortslutning mellan silver- och platinakuddarna, så att elektrisk ström flyter mellan dem. Detta stänger kryphålet för plasmonen; omkopplaren vänds och tillståndet ändras från "på" till "av" eller vice versa. Så snart spänningen faller under en viss tröskel igen, en silveratom rör sig tillbaka. Klyftan öppnar sig, plasmon flödar, och strömbrytaren är "på" igen. Denna process kan upprepas miljontals gånger.

ETH professor Mathieu Luisier, som deltog i denna studie, simulerade systemet med en högpresterande dator vid CSCS i Lugano. Detta gjorde det möjligt för honom att bekräfta att kortslutningen i spetsen av silverpunkten orsakas av en enda atom.

En riktigt digital signal

Eftersom plasmon inte har några andra alternativ än att passera genom flaskhalsen antingen helt eller inte alls, detta ger en verkligt digital signal - en etta eller en nolla. "Detta tillåter oss att skapa en digital switch, som med en transistor. Vi har letat efter en sådan här lösning länge, " sammanfattar Leuthold.

Hittills, modulatorn är inte klar för serieproduktion. Även om det har fördelen att det fungerar i rumstemperatur, till skillnad från andra enheter som arbetar med kvanteffekter i denna storleksordning, det är fortfarande väldigt långsamt för en modulator:än så länge, den fungerar bara för att byta frekvenser i megahertz-området eller lägre. ETH-forskarna vill finjustera den för frekvenser i intervallet gigahertz till terahertz.

Förbättring av litografiprocessen

Forskarna vill också förbättra litografimetoden ytterligare, som återutvecklades av Emboras från grunden för att bygga delarna, så att komponenter som denna kan tillverkas på ett tillförlitligt sätt i framtiden. För närvarande, tillverkningen är bara framgångsrik i ett av sex försök. Ändå, forskarna anser att detta är en framgång, eftersom litografiprocesser på atomär skala förblir okänt territorium.

För att fortsätta sin forskning om nanomodulatorn, Leuthold har förstärkt sitt lag. Dock, han påpekar att det skulle krävas större resurser för att utveckla en kommersiellt tillgänglig lösning. Trots detta, ETH-professorn är övertygad om att han och hans team kommer att kunna presentera en praktisk lösning inom de närmaste åren.