La società odierna sta crescendo in termini di popolazione e la produttività pone esigenze sempre più elevate su Internet, e senza sviluppi scientifici per fornire modi che soddisfino le nostre esigenze di traffico, comincerà a intasarsi. Mappare i fotoni su una superficie metallica e convertirli in un particolare tipo di oscillazioni elettroniche, chiamati plasmoni, ricercatori svizzeri, La Germania e gli Stati Uniti hanno collaborato per sviluppare un nuovo modo di trasmettere informazioni ai segnali luminosi inviati tramite le reti in fibra ottica di Internet.

Il loro lavoro sviluppando questi modulatori plasmonici a banda larga, che operano a un limite superiore a 100 Gbit/s dei dispositivi fotonici per un singolo vettore, sarà presentato alla Conferenza ed Esposizione sulle Comunicazioni in Fibra Ottica (OFC), tenutasi dal 19 al 23 marzo a Los Angeles, California, STATI UNITI D'AMERICA.

Il passaggio dall'invio di segnali elettronici su cavi all'invio di segnali ottici su fibre ha rivoluzionato Internet, offrendo capacità e velocità di trasferimento significativamente più elevate. I segnali generati da chip elettronici dai computer sono stati codificati in luce come modulazioni, che potrebbe quindi viaggiare a velocità relativistiche attraverso le fibre ottiche.

Siamo ormai giunti a un punto, però, dove convertire i segnali elettrici in quelli ottici può essere un collo di bottiglia per la comunicazione ottica.

Entra:plasmoni. I plasmoni sono onde nel "mare" energeticamente fluido degli elettroni su molti metalli conduttori come l'oro. Proprio come le increspature dell'acqua sulla superficie di uno stagno da una roccia che salta, i plasmoni trasportano energia dalla luce che colpisce una superficie come onde di elettroni che oscillano collettivamente. Nelle giuste condizioni, la luce può eccitare questi microscopici plasmoni e convertire il segnale da un'onda luminosa, di natura puramente fotonica, in un plasmone che viaggia lungo la superficie del metallo.

"Piuttosto che affidarsi alla fotonica, ora lavoriamo con la plasmonica, ", ha affermato Claudia Hoessbacher, autrice principale dell'articolo e membro dell'Istituto di campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, Svizzera. "Il lavoro è stato avviato realizzando che siamo arrivati ​​ai limiti della fotonica del silicio. Il silicio non ci darebbe più una velocità maggiore, né ci permetterebbe di diventare più compatti".

Il nuovo dispositivo modulatore presenta due serie di coppie di elettrodi d'oro separate da uno stretto slot largo meno di cento nanometri, centinaia di volte più piccolo di un capello umano. Le fessure sono riempite con un materiale elettro-ottico organico le cui proprietà di rifrazione della luce cambiano in modo prevedibile in un campo elettrico applicato.

L'oro è tra gli elementi più plasmonicamente attivi e queste lacune riempite di silicio fungono da guide d'onda per i plasmoni. L'intera disposizione forma un micro-interferometro, dove il segnale modulato risultante deriva dalla combinazione dei segnali che viaggiano attraverso ciascuno dei due percorsi del materiale elettro-ottico.

Poiché questi componenti plasmonici sono metallici, hanno l'ulteriore vantaggio di fungere potenzialmente da contatti elettrici propri.

I maggiori vantaggi di questi modulatori, però, sono le loro dimensioni compatte e la larghezza di banda notevolmente ampia, che consente un maggiore volume di flusso di informazioni supportando uno spettro di frequenze più ampio. La grande larghezza di banda è dovuta ad una risposta quasi istantanea degli elettroni ai campi elettromagnetici. Anche se i plasmoni non percorrono lunghe distanze in modo efficiente, le loro dimensioni compatte minimizzano questo inconveniente.

"Inizialmente, temevamo che le perdite sarebbero state troppo alte perché si sa che le perdite plasmoniche sono alte, " disse Leuthold, che dirige l'istituto di ricerca dell'ETH. "La nostra seconda generazione del dispositivo ha portato la svolta. Ci siamo resi conto che le non linearità erano molto più alte di quanto ci si aspetterebbe normalmente. Grazie a queste elevate non linearità potremmo fabbricare dispositivi corti e quindi anche le perdite sarebbero sufficientemente basse".

Le ridotte dimensioni di questi nuovi dispositivi non sono del tutto esenti da inconvenienti. La dimensione compatta dei modulatori microscopici significa anche che pongono sfide di produzione. Per assemblaggi così precisi, il gruppo ha utilizzato tecniche litografiche, dove modelli di luce accuratamente esposti guidano processi chimici che lasciano dietro di sé i modelli di elettrodi desiderati.

"Quando inizi a lavorare con dispositivi che hanno dimensioni di sub-diffrazione (cioè molto al di sotto della lunghezza d'onda), la sfida finale è padroneggiare la fabbricazione, " Leuthold ha detto. "Abbiamo bisogno di risoluzioni litografiche nell'ordine di 20-40 nanometri."

Utilizzando formati di modulazione familiari alla comunità delle comunicazioni ottiche, i ricercatori hanno testato la risposta del dispositivo su una gamma di 170 GHz. Questa era una gamma così ampia di frequenze, hanno dovuto ideare cinque diverse configurazioni per generare tutti i segnali a radiofrequenza testati. Secondo Leuthold, questo lavoro continua nella speranza di risultati ancora migliori e potenziali applicazioni per la prossima generazione di collegamenti di comunicazione ottica.