Kleiner, schneller, billiger

Im Februar 1880 erprobte der amerikanische Erfinder Alexander Graham Bell in seinem Labor in Washington ein Ger?t, das er selbst als seine gr?sste Errungenschaft, noch vor dem Telefon, bezeichnete: das ?Photophon?. Bells Idee, mit Hilfe von Licht gesprochene Worte ¨¹ber grosse Entfernungen zu ¨¹bermitteln, war der Vorl?ufer einer Technik, ohne die das moderne Internet undenkbar w?re. Riesige Datenmengen werden heute rasend schnell in Form von Lichtpulsen durch Glasfaserkabel geschickt, wozu sie allerdings zun?chst von elektrischen Signalen, mit denen Computer und Telefone arbeiten, in optische umgewandelt werden m¨¹ssen. Bei Bell war es noch ein simpler hauchd¨¹nner Spiegel, der Schallwellen in moduliertes Licht umwandelte. Heutige elektro-optische Modulatoren sind komplizierter, doch eines haben sie mit ihrem Urahn gemein: Sie sind mit einigen Zentimetern noch immer ziemlich gross, vor allem im Vergleich mit elektronischen Bauteilen, die nur einige Mikrometer messen.

In einem wegweisenden Artikel in der Fachzeitschrift ?Nature Photonics? haben Juerg Leuthold, Professor f¨¹r Photonik und Kommunikation, und seine Mitarbeiter nun einen neuartigen Modulator vorgestellt, der hundertmal kleiner ist und daher leicht in elektronische Schaltkreise integriert werden kann. Zudem ist er auch deutlich billiger und schneller als herk?mmliche Modelle und verbraucht massiv weniger Energie.

Der Trick mit den Plasmonen

F¨¹r dieses Kunstst¨¹ck bedienen sich die Forscher um Leuthold und seinen Doktoranden Christian Haffner, der den Modulator in wesentlichen Teilen mitentwickelt hat, eines technischen Tricks. Um einen m?glichst kleinen Modulator bauen zu k?nnen, m¨¹ssen sie einen Lichtstrahl, dessen St?rke elektrisch moduliert werden soll, zun?chst auf ein sehr kleines Volumen konzentrieren. Nach den Gesetzen der Optik kann ein solches Volumen aber nicht kleiner sein als die Wellenl?nge des Lichts selbst. F¨¹r die Telekommunikation benutzt man heute Laserlicht mit einer Wellenl?nge von eineinhalb Mikrometern, die somit eine Untergrenze f¨¹r die Dimensionen des Modulators darstellt.

Um diese Grenze dennoch zu unterschreiten, wird das Licht zun?chst in sogenannte Oberfl?chen-Plasmon-Polaritonen umgewandelt. Diese Zwitterwesen aus elektromagnetischen Feldern und Elektronen bewegen sich nahe der Oberfl?che 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.

Brechzahl von aussen ver?ndern

Um schliesslich die St?rke des austretenden Lichts elektrisch zu steuern und so die zur Daten¨¹bertragung n?tigen Pulse zu erzeugen, nutzen die Forscher das Prinzip des Interferometers. Dabei teilt man zum Beispiel einen Laserstrahl mit Hilfe eines halbdurchl?ssigen Spiegels in zwei Strahlen und f¨¹gt diese mit einem anderen Spiegel wieder zusammen. Die Lichtwellen ¨¹berlagern sich (sie ?interferieren?) und verst?rken oder schw?chen einander dadurch ¨C je nachdem, wie sich ihr relativer Schwingungszustand (Phase) in den beiden Armen des Interferometers ge?ndert hat. Eine ?nderung der Phase entsteht zum Beispiel durch eine unterschiedliche Brechzahl, welche die Geschwindigkeit der Wellen bestimmt. Enth?lt ein Arm ein Material, dessen Brechzahl sich von aussen ver?ndern l?sst, so kann die relative Phase der beiden Wellen gesteuert und das Interferometer so als Lichtmodulator verwendet werden.

Im Modulator der ETH-Forscher sind es allerdings nicht Lichtstrahlen, sondern die Plasmon-Polaritonen, die durch einen weniger als einen Mikrometer breiten Interferometer geschickt werden. Durch Anlegen einer Spannung kann wiederum die Brechzahl und damit die Geschwindigkeit der Plasmonen in einem Arm des Interferometers ver?ndert und so ihre Schwingungsweite (Amplitude) am Ausgang moduliert werden. Danach werden die Plasmonen wieder in Licht umgewandelt, das zur weiteren ?bertragung in eine Glasfaser eingespeist wird.

Weniger Energieverbrauch

Der Modulator von Leuthold und Kollegen hat gleich mehrere Vorteile. ?Er ist unglaublich klein und einfach, und zudem ist er der billigste Modulator, der je gebaut wurde?, erkl?rt Leuthold. Tats?chlich besteht er aus einer nur 150 Nanometer dicken Goldschicht auf Glas und einem organischen Material, dessen Brechzahl sich beim Anlagen einer elektrischen Spannung ?ndert und damit die Plasmonen im Interferometer moduliert. Damit ist er viel kleiner als herk?mmliche Lichtmodulatoren und ben?tigt dementsprechend sehr wenig Energie ¨C bei einer Daten¨¹bertragungsrate von 70 Gigabit pro Sekunde nur wenige Tausendstel Watt. Dies entspricht einem Hundertstel des Verbauchs handels¨¹blicher Modelle.

Dadurch tr?gt er auch zum Umweltschutz bei, denn die Energie, die weltweit f¨¹r die Daten¨¹bertragung aufgewendet wird, ist betr?chtlich ¨C Modulatoren stecken in jeder Glasfaser-Datenleitung. Jahr f¨¹r Jahr m¨¹ssen wachsende Datenmengen immer schneller ¨¹bertragen werden, womit auch der Energieverbrauch ansteigt. Eine hundertfache Ersparnis w?re da mehr als willkommen. ?Unser Modulator schafft mehr Kommunikation mit weniger Energie?, bringt es der ETH-Professor auf den Punkt. Derzeit wird die Zuverl?ssigkeit des Modulators in Langzeittests ¨¹berpr¨¹ft, ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendungsreife.