Photonik-Chips nutzen Plasmonen

Photonische Schaltkreise, die Plasmonen ausnutzen, arbeiten mit Strukturen, die kleiner sind als die verwendete Wellenlänge des Lichts.

Aalborg (Dänemark) - Lichtleiter sind heute für die Übertragung digitaler Daten unersetzlich. Doch wollen Physiker die Schnelligkeit der Photonen auch für Berechnungen in Lichtchips nutzen. Ein dänisches Forscherteam um Sergey Bozhevolnyi schaffte es nun, die Strukturen für einen solchen Photonik-Chip kleiner zu gestalten als die verwendete Wellenlänge im Infrarotbereich (~1500 Nanometer). Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnte dieses Ziel durch die Anregung von Dichteschwankungen freier Elektronen, so genannte Plasmonen, in Metallen erreicht werden.

„Plasmon-Polaritonen in einem Kanal ebnen den Weg zu einer neuen Klasse integrierter optischer Schaltkreise“, schreiben Bozhevolnyi und seine Kollegen von der Aalborg Universitet in Dänemark. Bei den bevorzugten, datentragenden Wellenlängen um 1500 Nanometer zeigte sich bisher ein großer Intensitätsverlust durch Streueffekte sobald dieses Licht durch Strukturen geschickt wurde, die kleiner als die genutzten Wellenlängen waren. Die Erzeugung von wellenartigen Elektronenbewegungen auf der Oberfläche eines Metalls umgeht dieses Problem. Im Aalborger Labor breiteten sich diese Plasmonen über einige Mikrometer ohne nennenswerten Intensitätsverlust durch 1100 bis 1300 Nanometer kleine Strukturen aus.

Bozhevolnyi und Kollegen beließen es jedoch nicht bei einem einfachen linearen Transport dieser kollektiven Elektronenbewegungen. In einer 1,8 Mikrometer dünnen Goldschicht, die auf einem Siliziumdioxid-Substrat aufgebracht wurde, schnitten sie über einen fokussierten Ionenstrahl gut einen Mikrometer feine, V-förmige Kanäle. Entlang dieser Vertiefungen an der Gold-Luft-Grenzschicht breiteten sich die durch Infrarotlicht erzeugten Plasmonen aus.

Mit zwei spiegelsymmetrischen S-Kurven (durchschnittlicher Krümmungswinkel bis 45°) erstellten sie einen Strahlteiler in Y-Form. Aus zwei dieser so genannten Y-Splitter konnten sie ein Mach-Zehnder-Interferometer bauen, in Kreisform strukturiert ergaben sie Kanäle sogar einen plasmonischen Ringresonator. All diese Basismodule, mit denen sich ein Plasmonen-Signal auch verändern lässt, zeigen, dass prinzipiell photonische Schaltkreise mit Größen unterhalb der ursprünglich genutzten Wellenlänge konstruiert werden können.

Für die Anregung der Plasmonen nutzten die dänischen Forscher noch ein Optisches Rasternahfeldmikroskop (SNOM), das mit Wellenlängen zwischen 1425 und 1620 Nanometern arbeitet. Bei dem Übergang zwischen Glasfaser und Plasmonen-Leiter nahmen sie dabei noch große Intensitätsverluste in Kauf. Für eine Anwendung in leistungsfähigen Photonik-Chips der Zukunft, muss diese Einkopplung noch eleganter und verlustfreier gestaltet werden. „Es ist immer noch ein Problem, das externe Licht in den Wellenleiter hinein zu bekommen und es am anderen Ende wieder heraus zu ziehen“, schreibt Francisco J. Garcia-Vidal von der Universidad Autónoma de Madrid in einem begleitenden Kommentar.

Doch seien in den letzten Jahren schon große Fortschritte in dem Bereich der Wellenleitung über Plasmonen erzielt worden. Zwar sind mit gut 1000 Nanometer die Strukturen noch weit größer als bei einem elektronischen Siliziumchip (Strukturgrenze heute bei etwa 65 Nanometern), doch versprechen Photonik-Chips in Zukunft um ein Vielfaches beschleunigte Rechenprozesse.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators, Nature 404, 580 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/440431a 
• Kommentar:
  Francisco J. Garcia-Vidal, Light at the end of the channel, Nature 404, 431 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/440431a 
• Universitet Aalborg: 
  http://ekstern.aau.dk 
• Fachbereich Physik und Nanotechnologie:
  http://www.physics.aau.dk//page.php?id=78&lang=English

Weitere Literatur:

• Lamprecht, B. et al. Appl. Phys. Lett. 79, 51–53 (2001). 
• Lu, J. Q. & Maradudin, A. A. Phys. Rev. B 42, 11159–11165 (1990). 
• Novikov, I. V. & Maradudin, A. A. Phys. Rev. B 66, 035403 (2002). 
• Gramotnev, D. K. & Pile, D. F. P. Appl. Phys. Lett. 85, 6323–6325 (2004). 
• Pile, D. F. P. & Gramotnev, D. K. Opt. Lett. 30, 1186–1188 (2005). 
• Bozhevolnyi, S. I., Volkov, V. S., Devaux, E. & Ebbesen, T. W. Phys. Rev. Lett. 95, 046802 (2005).