Schwingende Elektronen für kleinere Lichtchips

Licht leitet gigantische Datenmengen rasant durch Glasfaserkabel rund um den Globus. Die Schnelligkeit der Photonen wollen Forscher auch für den Bau von Photonik-Chips nutzen, die digitale Daten schneller verarbeiten als elektronische Schaltkreise.

Aalborg (Dänemark) - Schwingungen von freien Elektronen können nun signifikant zur Verkleinerung solcher Lichtchips beitragen. Nun schaffte es ein dänisches Forscherteam um Sergey Bozhevolnyi, die Strukturen für einen solchen Photonik-Chip kleiner zu gestalten als die verwendete Wellenlänge im Infrarotbereich, die bei etwa anderthalb Mikrometer liegt. In der Zeitschrift "Nature" berichten die Forscher, wie sie dieses Ziel durch die Anregung von Dichteschwankungen freier Elektronen, so genannte Plasmonen, in Metallen erreicht haben.

"Plasmon-Polaritonen ebnen den Weg zu einer neuen Klasse integrierter optischer Schaltkreise", schreiben Bozhevolnyi und seine Kollegen von der Aalborg Universitet in Dänemark. Zeigte sich bisher bei den bevorzugten, datentragenden Wellenlängen um 1500 Nanometer ein großer Intensitätsverlust durch Streueffekte, lässt sich das Problem mit der Erzeugung von wellenartigen Elektronenbewegungen auf der Oberfläche eines Metalls umgehen. Im Aalborger Labor breiteten sich diese Plasmonen über einige Mikrometer ohne nennenswerten Intensitätsverlust durch 1100 bis 1300 Nanometer kleine Strukturen aus.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in einer 1,8 Mikrometer dünnen Goldschicht, die auf einem Siliziumdioxid-Substrat aufgebracht wurde. Mit einem Ionenstrahl schnitten die Wissenschaftler gut einen Mikrometer feine, V-förmige Kanäle. Entlang dieser Vertiefungen an der Gold-Luft-Grenzschicht breiteten sich die durch das längerwellige Infrarotlicht erzeugten Plasmonen aus. Nicht nur die einfache Weiterleitung solcher Wellen gelang, sondern auch der Aufbau von Basismodulen, die prinzipiell als photonische Schaltkreise analog zu elektronischen Transistoren und Dioden die digitalen Daten auch bearbeiten können.

Zwar sind mit gut 1000 Nanometer die Strukturen noch weit größer als bei einem elektronischen Siliziumchip - heute bei etwa 65 Nanometern. Doch versprechen Photonik-Chips in Zukunft um ein Vielfaches beschleunigte Rechenprozesse.