Chip optoelettronico in metallo

I componenti ottici per la microelettronica devono essere prodotti in vetro. I metalli non sono adatti a questo scopo perché le informazioni ottiche possono propagarsi solo per un massimo di 100 micrometri. Fino a poco tempo fa, questa era la saggezza convenzionale tra gli scienziati. I ricercatori guidati da Jürg Leuthold, professore del Dipartimento di ingegneria elettrotecnica e dell'informazione, hanno ora reso possibile l'apparentemente impossibile: hanno sviluppato un componente per l'elaborazione della luce fatto di metallo. Lo riferiscono nell'ultimo numero della rivista scientifica pagina esternaScienza.

L'obiettivo è stato raggiunto grazie a Umwelt und Geomatik, un elemento sufficientemente piccolo. Ha una dimensione di soli 3 x 36 micrometri e rientra quindi in un intervallo di dimensioni in cui le informazioni ottiche ed elettriche possono propagarsi nei metalli.

Componente per reti in fibra ottica

Il componente è un modulatore. I modulatori convertono i segnali di dati elettrici in segnali ottici. Sono installati nei moderni router Internet per la rete in fibra ottica e consentono connessioni dati in fibra ottica tra unità informatiche nei centri di calcolo. Tuttavia, i componenti utilizzati oggi come standard funzionano in modo fondamentalmente diverso dal nuovo modulatore.

Il principio di funzionamento del nuovo componente: La luce proveniente da una fibra ottica viene diretta sul modulatore e fa oscillare gli elettroni sulla sua superficie. Gli esperti chiamano questo fenomeno oscillazione plasmonica. Questa oscillazione può essere modificata indirettamente da impulsi di dati elettrici. Se l'oscillazione degli elettroni viene riconvertita in luce, si genera un segnale luminoso che viene pulsato di conseguenza. L'informazione è stata convertita da un impulso di dati elettrico a uno ottico e può ora essere trasportata nelle fibre di vetro.

Ancora più veloce e più piccolo

Leuthold e i suoi colleghi hanno sviluppato un modulatore plasmonico di questo tipo due anni fa (ETH News segnalato). All'epoca si trattava del modulatore più piccolo e più veloce mai costruito. All'epoca, tuttavia, sul chip semiconduttore erano installati anche diversi componenti in vetro.

Sostituendo tutti i componenti di vetro con altri metallici, gli scienziati sono riusciti a costruire un modulatore ancora più piccolo che funziona a una velocità ancora maggiore. "Nei metalli, gli elettroni possono muoversi praticamente a qualsiasi velocità, ma non nel vetro, dove esiste un limite fisico di velocità massima", spiega Masafumi Ayata, dottorando del gruppo di Leutholt e primo autore dello studio. Nell'esperimento, i ricercatori sono riusciti a trasmettere dati a 116 gigabit al secondo. Sono convinti che, con l'ottimizzazione, sia possibile raggiungere velocità di trasferimento dati ancora più elevate.

Inciso da uno strato d'oro

Il prototipo di modulatore testato dai ricercatori dell'ETH è costituito da uno strato d'oro su una superficie di vetro. Come sottolineano gli scienziati, il supporto di vetro non ha alcuna funzione. "Al posto del supporto in vetro, possiamo utilizzare anche altre superfici lisce adatte", spiega Leuthold. E al posto dell'oro, il rame, più economico, potrebbe essere utilizzato anche per applicazioni industriali. Il punto chiave è che il nuovo modulatore richiede solo un rivestimento metallico. "Questo rende la produzione molto semplice e poco costosa", afferma Leuthold.

I ricercatori stanno già lavorando con un partner industriale per mettere in pratica il nuovo modulatore e sono in trattative con altri partner. Tuttavia, Leuthold vede ancora un potenziale di sviluppo prima che il prodotto sia pronto per il mercato. Ad esempio, prevede che l'attuale perdita di potenza del segnale durante la modulazione possa essere ancora ridotta.

Per computer e veicoli autonomi

Il nuovo modulatore potrebbe un giorno essere utilizzato non solo nel settore delle telecomunicazioni, ma anche nei computer. "L'industria informatica sta pensando di utilizzare le fibre ottiche per trasmettere i dati all'interno dei computer tra i singoli chip", spiega Leuthold. Tuttavia, questo richiede modulatori minuscoli, come quelli che Leuthold e il suo team hanno ora sviluppato.

Infine, sarebbe anche possibile utilizzare i modulatori in schermi, anche pieghevoli, e in sensori ottici. Ne sono un esempio i sistemi lidar per la misurazione della distanza, utilizzati nei veicoli (parzialmente) autonomi.