Superschneller «Lichtschalter» für künftige Autos und Computer
Stärken der Plasmonik ausgenutzt
«Diese Probleme haben wir nun gelöst, indem wir die guten Eigenschaften der Plasmonik ausgenutzt und die schlechten minimiert haben», sagt Postdoktorand Christian Haffner, der als Erstautor des soeben erschienenen Science-Artikels das Projekt geleitet hat. Herzstück des von Haffner und Kollegen entwickelten elektrooptomechanischen Schalters ist eine nur 40 Nanometer dünne und wenige Mikrometer breite Goldmembran, die durch eine Aluminiumoxidscheibe von einem Siliziumsubstrat getrennt ist.
Die Grösse des Spalts zwischen Goldmembran und Substrat kann dabei durch elektrische Kräfte mechanisch kontrolliert werden. Legt man eine Spannung an, so biegt sich die Membran leicht, und der Spalt wird kleiner.
Die Grösse des Spaltes wiederum entscheidet darüber, ob eine Lichtwelle einfach geradeaus weiterfliegt oder um die Goldmembran herum abgelenkt wird. Hier kommen die Plasmonen ins Spiel: Für eine bestimmte Spaltbreite lassen sich nur Plasmonen mit einer bestimmten Wellenlänge auf der Goldmembran anregen. Hat das Licht eine andere Wellenlänge, so wird es nicht an die Membran gekoppelt und breitet sich gradlinig im Silizium-Wellenleiter aus.
Geringe Verluste und Schaltspannung
«Dadurch, dass wir Plasmonen nur für das kurze Stück um die Schaltmembran herum benutzen, haben wir wesentlich geringere Verluste als in bisherigen elektrooptischen Schaltern», erklärt Haffner. «Zudem haben wir die Goldmembran sehr klein und dünn gemacht, so dass wir sehr schnell und mit geringer Spannung schalten können.» Bereits jetzt konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ihr neuer Schalter mehrere Millionen Mal in der Sekunde ein- und ausgeschaltet werden kann, und das mit einer elektrischen Spannung von nur etwas mehr als einem Volt.
Dadurch werden sperrige und stromfressende Verstärker, wie sie bisher für elektrooptische Schalter üblich waren, überflüssig. In Zukunft wollen die Forscher ihren Schalter weiter verbessern, indem sie den Spalt zwischen Gold und Silizium noch kleiner machen. Dadurch lassen sich sowohl die Lichtverluste als auch die Steuerspannung deutlich verringern.
