Kleinster optischer Schalter der Welt ETH Zürich entwickelt »Ein-Atom-Schalter«

: Der Schalter basiert auf der spannungsbedingten Verschiebung eines oder mehrerer Silberatome in den schmalen Spalt zwischen einer Silber- und einer Platinplatte.
Der Schalter basiert auf der spannungsbedingten Verschiebung eines oder mehrerer Silberatome in den schmalen Spalt zwischen einer Silber- und einer Platinplatte.

Forscher der ETH Zürich haben den kleinsten integriert-optischen Schalter der Welt geschaffen. Durch Anlegen einer kleinen Spannung wird ein einzelnes Atom verschoben – und damit wechselt der Schalter von »An« zu »Aus« oder umgekehrt.

Die Menge an Daten, die weltweit über Kommunikationsnetzwerke ausgetauscht werden, steigt mit atemberaubender Rate an. Zurzeit nimmt die Datenmenge für drahtgebundene und mobile Kommunikation jedes Jahr um 23 bzw. 57 % zu. Ein Ende dieses Wachstums ist nicht absehbar. Das bedeutet, dass sämtliche Netzwerk-Komponenten immer effizienter werden müssen.

Zu diesen Komponenten gehören so genannte Modulatoren, die die Informationen, die zunächst in elektrischer Form vorliegen, in optische Signale umwandeln. Modulatoren sind also nichts anderes als schnelle elektrische Schalter, die ein Lasersignal im Takt der eingehenden elektrischen Signale an- oder ausschalten. Modulatoren werden in Rechenzentren zu Tausenden verbaut. Diese haben allerdings noch immer den Nachteil, dass sie ziemlich groß sind.

Vom Mikro- zum Nanomodulator

Dass es kleiner und energieeffizienter geht, bewies die Arbeitsgruppe von Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation an der ETH Zürich schon vor einem halben Jahr. Damals stellten die Forscher einen Mikromodulator vor, der nur noch 10 µm misst und damit um den Faktor 10.000 kleiner ist als kommerziell verwendete Modulatoren.

Nun legen Leuthold und seine Mitarbeiter noch einen Zahn zu. Sie entwickelten den kleinsten optischen Modulator der Welt.

»Atomar-klein« - kleiner geht’s wohl nicht mehr

Dieses Bauteil arbeitet auf dem Niveau einzelner Atome. Das entspricht einer weiteren Verkleinerung um den Faktor 1000, wenn man den Schalter samt Lichtleiter miteinbezieht.

Der eigentliche Schalter ist allerdings noch kleiner – atomar klein. Der Modulator ist sogar wesentlich kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Neuer Aufbau

Für die optische Signalübertragung in der Telekommunikation wird Laserlicht von einer Wellenlänge von 1,55 µm benutzt. Normalerweise bestimmt diese Größe die kleinstmögliche Dimension des Bauteils. »Bis vor kurzem hielt selbst ich es für unmöglich, dass wir dieses Limit noch unterbieten können«, betont Leuthold.

Doch sein Postdoc Alexandros Emboras hat die Gesetze der Optik Lügen gestraft, indem er eine neue Anordnung für den Bau eines Modulators realisierte. Dieser Aufbau hat es ermöglicht, in die Größenordnung von einzelnen Atomen vorzudringen, obwohl die Forscher Licht mit »Standard-Wellenlänge« verwendeten.

Emboras Modulator besteht aus zwei winzigen Plättchen, einem aus Silber und einem aus Platin, auf einem Lichtwellenleiter aus Silizium. Die beiden Plättchen sind in einem Abstand von bloß wenigen Nanometern nebeneinander angeordnet, wobei eine kleine Ausbuchtung des Silberplättchens in den Spalt hineinragt und das Platinplättchen beinahe berührt.