Plasmonische Nano-Schalter

Plasmonische Wellen­leiter eröffnen die Möglichkeit zur Entwicklung dramatisch verkleinerter optischer Bauteile und liefern eine vielver­sprechende Route zu zukünftigen Tech­nologien für integrierte Schalt­kreise für die Informations­verarbeitung und für optisches Computing. Haupt­elemente von nanopho­tonischen Schal­tkreisen sind steuerbare Router und plasmonische Modu­latoren. Kürzlich entwickelte Joachim Herrmann vom Max-Born-Institut in Berlin in Koopera­tion mit auswärtigen Partnern neue Konzepte für die Realisierung solcher Nano­bauteile. Sie untersuchten die Ausbreitung von Ober­flächen-Plasmon-Polari­tonen (SPPs) in magneto-plas­monischen Wellen­leitern. Basierend auf den Ergeb­nissen dieser Studie schlugen sie neue Varianten von steuer­baren magneto-plas­monischen Routern und magneto-plas­monischen Scheiben­modulatoren für verschiedene Funk­tionalitäten vor.

In einem Wellen­leiter, der aus einem metallischen Film mit einer Dicke, die die Skin-Tiefe übertrifft, und von einem ferro­magnetischen dielek­trischen Material umgeben ist, bewirkt ein äußeres magne­tisches Feld eine räumliche Asymmetrie der Moden­verteilung von Oberflächen-Plasmon-Polari­tonen. Die Über­lagerung der geraden und der ungeraden Moden führt nach einer bestimmten Ausbreitungs­länge zu einer Konzen­tration der SPP-Energie auf eine Oberfläche der metal­lischen Schicht, die auf die entgegen­gesetzte Oberfläche durch die Änderung der Richtung des magne­tischen Feldes umgeschaltet werden kann.

Basierend auf diesem Phänomen schlägt die Gruppe einen neuen Typ eines Wellen­leiter-inte­grierten magnetisch gesteuerten umschalt­baren Routers vor. Ein solches Nano­bauteils besteht aus einem T-geformten metallischen Wellen­leiter, der von einem ferro­magnetischen dielek­trischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren zu einer Magne­tisierung M führenden magnetischen Feldes steht. Eine numerische Lösung der Maxwell Gleichungen für die SPP Aus­breitung in dieser Struktur zeigt, dass eine Richtungs­änderung des magnetischen Feldes eine Kanal-Um­schaltung mit 99 Prozent Kontrast innerhalb einer optischen Bandbreite von zehn Terahertz. Eine Richtungs­änderung des magne­tischen Feldes kann durch integrierte elek­trische Schaltkreise mit einer Wiederholungs­rate im Gigahertz-Bereich erzeugt werden. Bisher wurde nur über eine Realisierung von umschalt­baren plas­monischen Routern berichtet, die auf verzweigten Silber­drähten basieren und durch die Polari­sation des einfallenen Lichts gesteuert werden.

Weiterhin schlug die Gruppe eine neue Variante eines Nanometer plas­monischen Modul­ators vor, der aus einem Metall-Isolator-Metall Wellen­leiter und einem seitlich ange­koppelten magneto-optischen Scheiben­resonator beruht und durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert wird. Eine Änderung der Wellenzahl und der Trans­mission von SPP-Moden kann durch eine Änderung des magne­tischen Feldes bewirkt werden. Ein/Aus-Umschaltung von laufenden SPP-Moden durch dieses Bauteil infolge einer Richtungs­umkehr des magne­tischen Feldes wird durch die numerische Lösung der Maxwell Gleichungen demons­triert.

Eine Resonanz­überhöhung der magneto-optischen Modu­lation von mehr als einem Faktor von 200 führt zu einer Kontrast­rate von mehr als 90 Prozent bei einer moderaten Durchgangs­dämpfung innerhalb einer Bandbreite von mehr als 100 Gigahertz. Die Verteilung der magne­tischen Feldkom­ponente der SPP-Moden zeigt, dass eine Änderung der Richtung des äußeren magne­tischen Feldes infolge der Änderung des Interferenz­musters von einem „Aus“ zu einem „An“-Zustand des magneto-plas­monischen Modu­lators führt.

MBI / JOL