ETH Zürich entwickelt »goldenen« Mikromodulator Mehr Kommunikation mit weniger Energie

Mikromodulator aus Gold in einer kolorierten elektronenmikroskopischen Aufnahme. Im Schlitz in der Bildmitte wird Licht in Plasmon-Polaritonen umgewandelt, moduliert und wieder in Lichtpulse zurückgewandelt.
Mikromodulator aus Gold in einer kolorierten elektronenmikroskopischen Aufnahme. Im Schlitz in der Bildmitte wird Licht in Plasmon-Polaritonen umgewandelt, moduliert und wieder in Lichtpulse zurückgewandelt.

Zur schnellen Übertragung großer Datenmengen über Glasfaser braucht man leistungsfähige Modulatoren, die elektrische Signale in optische umwandeln. An der ETH Zürich wurde nun ein Modulator entwickelt, der hundert Mal kleiner ist als handelsübliche Modelle, zudem ist er deutlich billiger und schneller und verbraucht massiv weniger Energie.

Dafür bedienen sich die Forscher um Professor Juerg Leuthold und seinen Doktoranden Christian Haffner eines technischen Tricks. Um einen möglichst kleinen Modulator bauen zu können, müssen sie einen Lichtstrahl, dessen Stärke elektrisch moduliert werden soll, zunächst auf ein sehr kleines Volumen konzentrieren. 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 dennoch zu unterschreiten, wird das Licht zunächst in so genannte 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.

Um die Stärke des austretenden Lichts elektrisch zu steuern und so die zur Datenübertragung nötigen Pulse zu erzeugen, nutzen die Forscher das Prinzip des Interferometers. Dabei teilt man zum Beispiel einen Laserstrahl mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels in zwei Strahlen und fügt sie mit einem anderen Spiegel wieder zusammen. Die Lichtwellen überlagern sich und verstärken oder schwächen einander dadurch – je nachdem, wie sich ihr relativer Schwingungszustand in den beiden Armen des Interferometers geändert hat. Eine Änderung der Phase entsteht zum Beispiel durch eine unterschiedliche Brechzahl, die die Geschwindigkeit der Wellen bestimmt. Enthält ein Arm ein Material, dessen Brechzahl sich von außen verändern lässt, 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 1 µm breiten Interferometer geschickt werden. Durch Anlegen einer Spannung kann wiederum die Brechzahl und damit die Geschwindigkeit der Plasmonen in einem Arm des Interferometers verändert und so ihre Schwingungsweite am Ausgang moduliert werden. Danach werden die Plasmonen wieder in Licht umgewandelt, das zur weiteren Übertragung in eine Glasfaser eingespeist wird.

Weniger Energieverbrauch

»Der neue Modulator ist unglaublich klein und einfach, und zudem ist er der billigste Modulator, der je gebaut wurde«, erklärt Leuthold. Tatsächlich besteht er aus einer nur 150 Nanometer dicken Goldschicht auf Glas und einem organischen Material, dessen Brechzahl sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung ändert und damit die Plasmonen im Interferometer moduliert. Damit ist er viel kleiner als herkömmliche Lichtmodulatoren und benötigt dementsprechend sehr wenig Energie – bei einer Datenübertragungsrate von 70 Gb/s nur wenige Tausendstel Watt. Das entspricht einem Hundertstel des Verbrauchs handelsüblicher Modelle. »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.