Mikroscheiben als Speicher für Polaritonen

 

An Wellenleiter gekoppelte optische Mikrokavitäten eignen sich zum Bau photonischer Schaltkreise  

Pasadena (USA) – Mit Photonen können digitale Daten weit schneller bearbeitet werden als mit Elektronen. Doch bis zu einem Photonik-Chip, der heutige rein elektronische Silizium-Prozessoren ersetzen könnte, ist der Weg noch weit. Eine weitere wichtige Komponente für die Entwicklungen schufen nun amerikanische Physiker aus winzigen Siliziumdioxid-Scheiben. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, können diese kreisförmigen Strukturen über so genannte Plasmonpolaritonen an deren Oberflächen optische Signale um ein Vielfaches besser zwischenspeichern als bisher gefertigte Mikrokavitäten.  

"Die Demonstration von diesen Oberflächen-Plasmon-Mikrokavitäten eröffnet viele Möglichkeiten für Anwendungen in der Grundlagenforschung und für die Entwicklung von Schaltkreisen", schreiben Bumki Min von dem California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen von der University of Berkeley. Grundlage bildet die Wechselwirkung von Lichtteilchen und Elektronen an einer Grenzschicht zwischen Metall und einem dielektrischen Material. Im direkten Kontakt eines Wellenleiters mit der scheibenförmigen Mikrokavität beeinflussten Photonen im Infrarotbereich (1520 – 1570 nm Wellenlänge) die elektronischen Eigenschaften auf der Oberfläche der winzigen Scheibe. Es entstanden Elektronenwellen mit stark lokalisierten elektromagnetischen Feldern. Diese Plasmonpolaritonen taugen als Zwischenspeicher für die Zustände der potenziell datentragenden Photonen.  

Das Team um Bumki Min stellte die Mikrokavitäten mit lithografischen Verfahren aus Siliziumdioxid her. Auf diese scheibenförmigen Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 20 Mikrometern und einer Dicke von zwei Mikrometern dampften sie eine 100 Nanometer dünne Silberschicht auf. An diese Mikrokavitäten koppelten sie je eine Glasfaser, durch die die Infrarot-Photonen geschickt werden konnten.

Bei der Wechselwirkung zwischen Photonen und Polaritonen treten allerdings Streuverluste auf. Als Maßstab dafür dient ein Qualitätsfaktor Q, der mit geringeren Verluste höhere Werte annimmt. Bisher konnten in mehreren Laboren Mikrokavitäten mit einem Qualitätsfaktor von maximal 100 demonstriert werden. Durch den scheibenförmigen Aufbau und die dünne Silberbeschichtung erreichten Min und Kollegen nun deutlich höhere Werte von Q=1376 +- 65.  

Mit diesem Qualitätssprung empfehlen sich die Mikroscheiben für den Bau komplexer photonischer Schaltkreise, in denen optische Signale durch die Wechselwirkung mit Plasmonpolaritonen gezielt beeinflusst werden können. Wegen der verwendeten lithografischen Verfahren lassen sie sich in die Fertigung von Chips auf Siliziumbasis integrieren. Bevor sie die Datenverarbeitung mit Lichtteilchen auf zukünftigen Photonik-Chips unterstützen, könnten sie nach Aussage der Forscher für die genauere Untersuchung von quantenoptischen Phänomenen genutzt werden.  

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Bumki Min et al.: High-Q surface-plasmon-polariton whispering-gallery microcavity. Nature, 457, 455 (2009)
  http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7228/abs/nature07627.html
• Laboratory of Applied Physics, California Institute of Technology:
  http://www.aph.caltech.edu/  
• Nanoscale Science and Engineering Center, University of Berkeley:
  http://xlab.me.berkeley.edu/  
• Arbeitsgruppe Lan Yang:
  http://ese.wustl.edu/~yang/index.htm 
  

Weiterführende Literatur:  

• Oulton, R. F., Sorger, V. J., Genov, D. A., Pile, D. F. P. & Zhang, X., A hybrid plasmon waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation. Nature Photon. 2, 496-500 (2008)  
• Miyazaki, H. T. & Kurokawa, Y., Squeezing visible light waves into a 3-nm-thick and 55-nm-long plasmon cavity. Phys. Rev. Lett. 96, 097401 (2006) 
• Stockman, M. I., Nanofocusing of optical energy in tapered plasmonic waveguides. Phys. Rev. Lett. 93, 137404 (2004)  
• Ozbay, E. Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Science 311, 189–193 (2006)

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