Mikromodulator unter Elektronenmikroskop (Foto: Haffner et al. Nature Photonics)

Zürich (pte012/28.07.2015/10:30) –

Forscher der ETH Zürich http://ethz.ch haben einen Mikromodulator aus Gold zur schnellen Übertragung großer
Datenmengen über Glasfaserkabel entwickelt, der hundert Mal kleiner ist
als handelsübliche Modelle und sich daher leicht in elektronische
Schaltkreise integrieren lässt. Die Neuentwicklung ist zudem auch
deutlich billiger und schneller als herkömmliche Modelle und verbraucht
massiv weniger Energie.

Plasmon-Polaritonen im Einsatz

Die Schweizer Forscher haben einen Lichtstrahl, dessen
Stärke elektrisch moduliert werden soll, auf ein sehr kleines Volumen
konzentriert. Nach den Gesetzen der Optik kann ein solches Volumen aber
nicht kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts selbst. Für die
Telekommunikation benutzt man heute Laserlicht mit einer Wellenlänge von
eineinhalb Mikrometern, die somit eine Untergrenze für die Dimensionen
des Modulators darstellt.

Um diese Grenze zu unterschreiten, wird das Licht
zunächst in sogenannte Oberflächen-Plasmon-Polaritonen umgewandelt.
Diese Zwitterwesen aus elektromagnetischen Feldern und Elektronen
bewegen sich nahe der Oberfläche eines Metallstreifens fort. Am Ende des
Metallstreifens wird aus ihnen wieder ein Lichtstrahl. Der Vorteil:
Plasmon-Polaritonen lassen sich auf viel kleinerem Raum konzentrieren
als das Licht, aus dem sie entstanden sind.

150 Nanometer dicke Goldschicht

Um die Stärke des Lichts zu steuern und so die zur
Datenübertragung nötigen Pulse zu erzeugen, wurde das Prinzip des
Interferometers genutzt. Im neuen Modulator sind es allerdings nicht
Lichtstrahlen, sondern Plasmon-Polaritonen, die durch einen weniger als
einen Mikrometer breiten Interferometer geschickt werden. Durch Anlegen
einer Spannung kann die Brechzahl und damit die Geschwindigkeit der
Plasmonen in einem Arm des Interferometers verändert und so ihre
Schwingungsweite am Ausgang moduliert werden.

Im nächsten Schritt wurden die Plasmonen wieder in
Licht umgewandelt, das zur Übertragung in eine Glasfaser eingespeist
wird. "Unser Modulator ist unglaublich klein und einfach und zudem ist
er der billigste, der je gebaut wurde", so Juerg Leuthold, Professor für
Photonik und Kommunikation an der ETH Zürich. Tatsächlich besteht er
aus einer nur 150 Nanometer dicken Goldschicht auf Glas und einem
organischen Material, dessen Brechzahl sich beim Anlagen einer
elektrischen Spannung ändert und damit die Plasmonen im Interferometer
moduliert.

Der Modulator schafft eine Datenübertragungsrate von 70
Gigabit pro Sekunde bei nur wenigen Tausendstel Watt. Dies entspricht
einem Hundertstel des Verbauchs handelsüblicher Modelle. So trägt er
auch zum Umweltschutz bei, denn die Energie, die für die
Datenübertragung aufgewendet wird, ist beträchtlich. "Unser Modulator
schafft mehr Kommunikation mit weniger Energie", bringt es der
ETH-Professor auf den Punkt. Derzeit wird die Zuverlässigkeit des
Modulators in Langzeittests überprüft. Weitere Details sind in "Nature
Photonics" nachzulesen.