Plasmonische Nano-Schalter
Router und Scheibenmodulator werden durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert.
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.
Abb.: Schema eines schaltbaren plasmonischen Routers, der aus einem T-geformten metallischen Wellenleiter besteht, der von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren magnetischen Feldes steht. (Bild: MBI)
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
