I ricercatori che lavorano sotto Juerg Leuthold, Professore di Fotonica e Comunicazione, hanno creato lo switch ottico integrato più piccolo al mondo. L'applicazione di una piccola tensione fa spostare un atomo, accendendo o spegnendo l'interruttore.

La quantità di dati scambiati tramite le reti di comunicazione in tutto il mondo sta crescendo a un ritmo vertiginoso. Il volume dei dati per le comunicazioni cablate e mobili è attualmente in aumento rispettivamente del 23% e del 57% ogni anno. È impossibile prevedere quando finirà questa crescita. Ciò significa anche che tutti i componenti di rete devono essere costantemente resi più efficienti.

Questi componenti includono i cosiddetti modulatori, che convertono le informazioni originariamente disponibili in forma elettrica in segnali ottici. I modulatori non sono quindi altro che interruttori elettrici veloci che accendono o spengono un segnale laser alla frequenza dei segnali elettrici in ingresso. I modulatori sono installati nei data center a migliaia. Però, hanno tutti lo svantaggio di essere abbastanza grandi. Misurando pochi centimetri di diametro, occupano molto spazio se usati in grandi quantità.

Dai micromodulatori ai nanomodulatori

Sei mesi fa, un gruppo di lavoro guidato da Jürg Leuthold, Il professore di fotonica e comunicazione è già riuscito a dimostrare che la tecnologia potrebbe essere ridotta e più efficiente dal punto di vista energetico. Come parte di quel lavoro, i ricercatori hanno presentato un micromodulatore che misura solo 10 micrometri di diametro - o 10, 000 volte più piccolo dei modulatori in uso commerciale.

Leuthold ei suoi colleghi hanno ora portato questo al livello successivo sviluppando il modulatore ottico più piccolo del mondo. E questo è probabilmente il minimo possibile:il componente opera a livello dei singoli atomi. L'impronta è stata quindi ulteriormente ridotta di un fattore 1, 000 se includi l'interruttore insieme alle guide luminose. Però, l'interruttore stesso è ancora più piccolo, con una dimensione misurata sulla scala atomica. L'ultimo sviluppo del team è stato recentemente presentato sulla rivista Nano lettere .

Infatti, il modulatore è significativamente più piccolo della lunghezza d'onda della luce utilizzata nel sistema. Nelle telecomunicazioni, i segnali ottici vengono trasmessi utilizzando luce laser con una lunghezza d'onda di 1,55 micrometri. Normalmente, un dispositivo ottico non può essere inferiore alla lunghezza d'onda che dovrebbe elaborare. "Fino a poco tempo fa, anche io pensavo fosse impossibile per noi superare questo limite, " sottolinea Leuthold.

Nuova struttura

Ma il suo scienziato anziano Alexandros Emboras dimostrò che le leggi dell'ottica erano sbagliate riconfigurando con successo la costruzione di un modulatore. Questa costruzione ha permesso di penetrare l'ordine di grandezza dei singoli atomi, anche se i ricercatori stavano usando la luce con una "lunghezza d'onda standard".

Il modulatore di Emboras è costituito da due piccoli pad, uno d'argento e l'altro di platino, sopra una guida d'onda ottica in silicio. I due pad sono disposti uno accanto all'altro a una distanza di pochi nanometri, con un piccolo rigonfiamento sul tampone d'argento che sporge nell'intercapedine e quasi tocca il tampone di platino.

Cortocircuito grazie a un atomo d'argento

Ed ecco come funziona il modulatore:la luce che entra da una fibra ottica è guidata all'ingresso del gap dalla guida d'onda ottica. Sopra la superficie metallica, la luce si trasforma in un plasmone di superficie. Un plasmone si verifica quando la luce trasferisce energia agli elettroni nello strato atomico più esterno della superficie metallica, facendo oscillare gli elettroni alla frequenza della luce incidente. Queste oscillazioni di elettroni hanno un diametro molto più piccolo del raggio di luce stesso. Ciò consente loro di entrare nel divario e passare attraverso il collo di bottiglia. Dall'altra parte del divario, le oscillazioni degli elettroni possono essere riconvertite in segnali ottici.

Se ora viene applicata una tensione al pad argentato, un singolo atomo d'argento o, al massimo, alcuni atomi d'argento si muovono verso la punta della punta e si posizionano all'estremità di essa. Questo crea un cortocircuito tra le pastiglie argento e platino, in modo che la corrente elettrica fluisca tra di loro. Questo chiude la scappatoia per il plasmone; l'interruttore gira e lo stato cambia da "on" a "off" o viceversa. Non appena la tensione scende nuovamente al di sotto di una certa soglia, un atomo d'argento arretra. Il divario si apre, il plasmone scorre, e l'interruttore è di nuovo "on". Questo processo può essere ripetuto milioni di volte.

Professore ETH Mathieu Luisier, che hanno partecipato a questo studio, ha simulato il sistema utilizzando un computer ad alte prestazioni presso il CSCS di Lugano. Questo gli ha permesso di confermare che il cortocircuito all'estremità della punta d'argento è causato da un solo atomo.

Un segnale veramente digitale

Poiché il plasmone non ha altra scelta che passare attraverso il collo di bottiglia completamente o per niente, questo produce un segnale veramente digitale - uno o uno zero. "Questo ci permette di creare un interruttore digitale, come con un transistor. Era da tempo che cercavamo una soluzione del genere, " riassume Leuthold.

Finora, il modulatore non è pronto per la produzione in serie. Sebbene abbia il vantaggio di funzionare a temperatura ambiente, a differenza di altri dispositivi che funzionano utilizzando effetti quantistici a questo ordine di grandezza, rimane ancora molto lento per un modulatore:finora, funziona solo per la commutazione di frequenze nell'intervallo dei megahertz o inferiore. I ricercatori dell'ETH vogliono metterlo a punto per frequenze nella gamma da gigahertz a terahertz.

Migliorare il processo di litografia

I ricercatori vogliono anche migliorare ulteriormente il metodo di litografia, che è stato riprogettato da Emboras da zero per costruire le parti, in modo che componenti come questo possano essere prodotti in modo affidabile in futuro. Attualmente, la fabbricazione ha successo solo in uno su sei tentativi. Tuttavia, i ricercatori considerano questo un successo, poiché i processi di litografia su scala atomica rimangono un territorio inesplorato.

Per continuare la sua ricerca sul nanomodulatore, Leuthold ha rafforzato la sua squadra. Però, sottolinea che sarebbero necessarie maggiori risorse per sviluppare una soluzione disponibile in commercio. Nonostante questo, il professore dell'ETH è fiducioso che lui e il suo team saranno in grado di presentare una soluzione praticabile entro i prossimi anni.