Schnellere Kopplung zwischen Elektronik und Photonik

Zürich (Schweiz) - Lichtteilchen eignen sich für den schnellen Transport digitaler Daten durch Glasfasern und prinzipiell auch für Berechnungen in rasant schaltenden, photonischen Modulen. Der Schritt zu markttauglichen, photonischen Rechenchips liegt zwar noch in der Zukunft, doch schweizerische Wissenschaftler konnten nun ein Schlüsselelement für diese Anwendungen entwickeln. In der Fachzeitschrift „Science“ stellen sie einen plasmonischen Modulator aus einer hauchdünner Metallschicht vor. Damit erzielten sie extrem hohe Raten für die Umwandlung von elektronischen in optische Signale.

„Zum ersten Mal wird gezeigt, dass man ein hochfunktionales und komplexes optisches Bauteil ganz aus Metall fertigen kann“, sagt Jürg Leuthold von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ). Gemeinsam mit seinen Kollegen deponierte er eine nur 200 Nanometer dünne Goldschicht auf einem Glasträger. Mit einem stark fokussierten Elektronenstrahl strukturierten sie beide Enden der Goldschicht in ein filigranes Gittermuster. Dort konnten Lichtwellen aus einer Glasfaser eingekoppelt und durch eine komplexe Wechselwirkung mit elektrischen Datenpulse gezielt beeinflusst werden.

Um die Umwandlungsgeschwindigkeit ihres metallischen Modulators zu testen, lenkten Leuthold und Kollegen infrarote Lichtwellen aus einer Glasfaser auf die nanostrukturierte Goldschicht. Zugleich legten sie elektrische Signale an einer Seite mit der filigranen Gitterstruktur an. Es entstanden zwei entgegengesetzt ausgerichtete elektrische Felder. Diese bewirkten, dass sich das polarisierte Licht durch zwei folgende, ebenfalls in die Metallschicht integrierte Wellenleiter unterschiedlich schnell ausbreiteten. Am anderen Ende der Wellenleiter wurden die Lichtwellen wieder zusammengeführt und über Interferenzeffekte mal verstärkt und mal ausgelöscht. Dieses so auf die Lichtwellen aufgeprägte Muster entsprach der digitalen Information der elektrischen Signale.

Mit diesem Modulator erzielten die Forscher Umwandlungsraten von 116 Gigabits pro Sekunde. Parallel lag der Energiebedarf dieser Prozesse bei sehr geringen 30 Femtojoule pro Bit. „ Damit sind die metallischen Bauteile bezüglich der Geschwindigkeitsbegrenzungen den traditionellen optischen Bauteilen aus Halbleitern überlegen“, sagt Leuthold. Er rechnet damit, dass seine metallischen Modulatoren in Zukunft sehr kompakt und günstig gefertigt werden können. Anwendungen sieht der Wissenschaftler in einer schnelleren optischen Datenübertragung und in der Entwicklung optoelektronischer Sensoren.