Plasmonische Nanoschaltkreise ermöglichen Optik auf Mikrochips

Plasmonische Nanoschaltkreise

Winzige plasmonische Nanoschaltkreise erreichen nun stark reduzierte Eingangsverluste und geringe Verluste innerhalb des Schaltkreises. Hierzu wurden optische Antennen nach dem Yagi-Uda-Prinzip entwickelt, die Licht effizient in plasmonische Wellenleiter koppeln. In diesen Schaltkreisen erreichen wir ein Wellenlängen-Trennung 200 nm mit 30dB.

Die Publikation ”Functional plasmonic nano-circuits with low insertion and propagation loss” erschien 2013 im wissenschaftlichen Magazin Nano Letters (ACS) (Download: PDF oder doi:10.1021/nl402580c). Sie entstand im Rahmen einer internationalen Kooperation zwischen einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und der Universität Erlangen-Nürnberg und einer Forschungsgruppe am California Institute of Technology

In dieser Publikation zeigen wir, wie es möglich ist, extrem kompakte optische Schaltkreise auf Nanometerskalen zu konstruieren. Erst diese winzige Größe macht sie kompatibel mit aktuellen elektronischen Mikrochips. Wir schaffen es, diese Miniaturisierung zu erreichen und gleichzeitig Verluste in den Schaltkreisen zu vermindern, die existierende optische Nano-Schaltkreise in jeder praktischen Anwendung stark aufheizen würden. Gleichzeitig erhöhen wir die Effizienz erheblich, mit der Infrarot-Laserlicht mittels optischer Antennen in die Schaltkreise eingekoppelt wird.

Die Schaltkreise in den neuesten Mikroprozessoren (z.B. Computer-CPUs) verarbeiten Daten in Form von Elektronen-Strömen entlang sehr kleiner Drähte aus Kupfer, die nur wenige zehn Nanometer (1/1000tel eines Haardurchmessers) voneinander entfernt geführt werden. Elektrische Ströme, die einander auf diesen Leiterbahnen zu nahe kommen beeinflussen sich gegenseitig, was eine weitere Miniaturisierung extrem erschwert. Die Geschwindigkeit, mit der sich mit diesen Elektronen Daten verarbeiten lassen (derzeit im Gigahertz-Bereich) ist dadurch an einer technischen Grenze angelangt und steigert sich über die letzten Jahre nicht mehr signifikant und Energieverluste führen zu einer extremen Erzeugung von Hitze innerhalb der Prozessoren. Dies ist der Grund für die großen Lüfter, die alle modernen Computer kühlen. IBMIntel und viele Forschungseinrichtungen weltweit forschen daher seit einigen Jahren intensiv an Alternativen und versuchen, optische Datenübertragung statt elektronischer Kabel in der Kommunikation zwischen Rechnerkomponenten einzusetzen und in die Chips selbst zu integrieren[1,2].

Weshalb Licht? Photonen beeinflussen sich nicht wie Elektronen. Allerdings ist die Integration von Lichtschaltkreisen aus einem anderen Grund limitiert: Licht lässt sich in großen und kleinen Skalen durch die Gesetze der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung (durch die Maxwell-Gleichungen) beschreiben und muss die daraus abgeleiteten physikalischen Gesetze wie das Abbe’sche Beugungslimit befolgen. Es besagt unter anderem, dass Licht sich nicht auf einem Raum von weniger als ca. einem bis einem halben Mikrometer (1000 bis 500 Nanometer) und damit weit größer als die Größenskalen aktueller Mikroprozessoren, führen lässt. Bei diesem Problem hilft die sogenannte Plasmonik[3]. Licht, das an Metall-Dielektrika-Grenzflächen geführt wird, sogenannte Plasmonen, lässt sich auf weit kleineren Skalen zusammenzupressen und entlang “plasmonischer Wellenleiter” führen. Leider ist der Nachteil dieser Technik, dass Licht in plasmonischen Wellenleitern wieder höhere Verluste erfährt. Der Chip würde sich aufheizen, ähnlich wie bei den elektronischen Chips. 

Wir zeigen in dieser Publikation, wie sich das Problem verstärkter Verluste in derartigen plasmonischen Schaltkreisen vermeiden lässt. Wir kombinieren erstmals hoch effiziente Nanoantennen nach dem Prinzip derYagi-Uda Radioantennen, die nur einen Mikrometer lang sind und Infrarot-Laser-Licht der in der Telekommunikation gebräuchlichen Wellenlänge 1550 nm in plasmonische Wellenleiter einkoppeln[4]. Bisher verloren solche sehr kompakten Wellenleiter innerhalb von nur wenigen Mikrometern einen großen Teil der geführten Energie, was mögliche Anwendungen sehr einschränkte, solange man nicht auf eine kompakte Integration verzichten wollte, die nicht erheblich größer als die elektronischer Chips ausfällt.

Wir stellen nun optische Schaltkreise vor, in denen lokalisierte, kleine plasmonische funktionale Einheiten mit verlustarmen plasmonischen Wellenleitern verbunden werden. Diese Integration ermöglicht effiziente Verbindungen zwischen den funktionalen Einheiten bis zu einigen hundert Mikrometern Länge. Außerdem demonstrieren wir eine sehr nützliche Anwendung der Schaltkreise, indem wir mit einem sogenannten “directional coupler” innerhalb weniger Mikrometer länge eine sehr effektive Wellenlängenseparation erreichen. Bisher sind für dieses sogenannte “wavelength division multiplexing (WDM)” mindestens mehrere Millimeter lange optische Komponenten notwendig.

Wir legen mit diesen Ergebnissen die Grundlage für neue Anwendungen, bei denen optische Signale in winzigen plasmonischen Schaltkreisen elektronisch moduliert werden[5] oder sogar Licht mit Licht geschaltet wird[6]. Direkte elektrische Plasmonen-Quellen oder Plasmonen-Detektoren wurden bereits vorgestellt und könnten integriert werden [7]. Diese physikalischen Experimente auf Nanometerskalen könnten in den nächsten Jahrzehnten der Grundstein für optische Prozessoren werden oder sogar, in Kombination mit derzeit von anderen Wissenschaftlern publizierten Ergebnissen, möglicherweise optische Quantencomputer auf einem Chip ermöglichen[8] .

Diesen Artikel finden Sie hier auf englisch und auf deutsch.

References

  1.  N. Engheta, "Circuits with Light at Nanoscales: Optical Nanocircuits Inspired by Metamaterials", Science, vol. 317, pp. 1698-1702, 2007. http://dx.doi.org/10.1126/science.1133268
  2.  D. Miller, "Device Requirements for Optical Interconnects to Silicon Chips", Proceedings of the IEEE, vol. 97, pp. 1166-1185, 2009. http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2009.2014298
  3.  M.L. Brongersma, and V.M. Shalaev, "The Case for Plasmonics", Science, vol. 328, pp. 440-441, 2010. http://dx.doi.org/10.1126/science.1186905
  4.  L. Novotny, and N. van Hulst, "Antennas for light", Nature Photonics, vol. 5, pp. 83-90, 2011. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2010.237
  5.  J.A. Dionne, K. Diest, L.A. Sweatlock, and H.A. Atwater, "PlasMOStor: A Metal−Oxide−Si Field Effect Plasmonic Modulator", Nano Letters, vol. 9, pp. 897-902, 2009. http://dx.doi.org/10.1021/nl803868k
  6.  D. Powell, "Light flips transistor switch", Nature, vol. 498, pp. 149-149, 2013. http://dx.doi.org/10.1038/498149a
  7.  D. Ly-Gagnon, K.C. Balram, J.S. White, P. Wahl, M.L. Brongersma, and D.A. Miller, "Routing and photodetection in subwavelength plasmonic slot waveguides", Nanophotonics, vol. 1, 2012. http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2012-0002
  8.  R.W. Heeres, L.P. Kouwenhoven, and V. Zwiller, "Quantum interference in plasmonic circuits", Nature Nanotechnology, 2013. http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2013.150