Investigadores que trabajan con Juerg Leuthold, Profesor de Fotónica y Comunicaciones, han creado el interruptor óptico integrado más pequeño del mundo. La aplicación de un pequeño voltaje hace que un átomo se reubique, encender o apagar el interruptor.

La cantidad de datos intercambiados a través de las redes de comunicaciones en todo el mundo está creciendo a un ritmo vertiginoso. El volumen de datos para comunicaciones por cable y móviles aumenta actualmente en un 23% y un 57%, respectivamente, cada año. Es imposible predecir cuándo terminará este crecimiento. Esto también significa que todos los componentes de la red deben ser cada vez más eficientes.

Estos componentes incluyen los llamados moduladores, que convierten la información originalmente disponible en forma eléctrica en señales ópticas. Por lo tanto, los moduladores no son más que interruptores eléctricos rápidos que encienden o apagan una señal láser a la frecuencia de las señales eléctricas entrantes. Los moduladores se instalan en los centros de datos por miles. Sin embargo, todos tienen la desventaja de ser bastante grandes. Midiendo unos centímetros de ancho, ocupan mucho espacio cuando se utilizan en grandes cantidades.

De micromoduladores a nanomoduladores

Hace seis meses, un grupo de trabajo dirigido por Jürg Leuthold, El profesor de Fotónica y Comunicaciones ya logró demostrar que la tecnología podía hacerse más pequeña y más eficiente energéticamente. Como parte de ese trabajo, los investigadores presentaron un micromodulador que mide solo 10 micrómetros de ancho, o 10, 000 veces más pequeños que los moduladores de uso comercial.

Leuthold y sus colegas han llevado esto al siguiente nivel al desarrollar el modulador óptico más pequeño del mundo. Y esto probablemente sea lo más pequeño posible:el componente opera a nivel de átomos individuales. Por lo tanto, la huella se ha reducido aún más en un factor de 1, 000 si incluye el interruptor junto con las guías de luz. Sin embargo, el interruptor en sí es aún más pequeño, con un tamaño medido en la escala atómica. El último desarrollo del equipo se presentó recientemente en la revista Nano letras .

De hecho, el modulador es significativamente más pequeño que la longitud de onda de la luz utilizada en el sistema. En telecomunicaciones, Las señales ópticas se transmiten mediante luz láser con una longitud de onda de 1,55 micrómetros. Normalmente, un dispositivo óptico no puede ser más pequeño que la longitud de onda que debe procesar. "Hasta hace poco, incluso yo pensé que era imposible para nosotros socavar este límite, "subraya Leuthold.

Nueva estructura

Pero su científico principal, Alexandros Emboras, demostró que las leyes de la óptica estaban equivocadas al reconfigurar con éxito la construcción de un modulador. Esta construcción hizo posible penetrar el orden de magnitud de los átomos individuales, a pesar de que los investigadores estaban usando luz con una "longitud de onda estándar".

El modulador de Emboras consta de dos pequeños pads, uno de plata y el otro de platino, encima de una guía de ondas óptica hecha de silicio. Las dos almohadillas están dispuestas una junto a la otra a una distancia de solo unos pocos nanómetros, con una pequeña protuberancia en la almohadilla plateada que sobresale en el espacio y casi toca la almohadilla de platino.

Cortocircuito gracias a un átomo de plata

Y así es como funciona el modulador:la luz que ingresa desde una fibra óptica es guiada a la entrada del espacio por la guía de ondas óptica. Sobre la superficie metálica, la luz se convierte en un plasmón de superficie. Un plasmón ocurre cuando la luz transfiere energía a los electrones en la capa atómica más externa de la superficie del metal, haciendo que los electrones oscilen a la frecuencia de la luz incidente. Estas oscilaciones de electrones tienen un diámetro mucho menor que el propio rayo de luz. Esto les permite entrar en la brecha y pasar por el cuello de botella. Al otro lado de la brecha, las oscilaciones de los electrones se pueden volver a convertir en señales ópticas.

Si ahora se aplica un voltaje a la almohadilla plateada, un solo átomo de plata o, a lo sumo, unos pocos átomos de plata se mueven hacia la punta de la punta y se colocan al final de la misma. Esto crea un cortocircuito entre las almohadillas de plata y platino, de modo que la corriente eléctrica fluya entre ellos. Esto cierra la brecha para el plasmón; el interruptor gira y el estado cambia de "encendido" a "apagado" o viceversa. Tan pronto como el voltaje vuelva a caer por debajo de cierto umbral, un átomo de plata retrocede. La brecha se abre el plasmón fluye, y el interruptor está "encendido" de nuevo. Este proceso se puede repetir millones de veces.

Profesor de ETH Mathieu Luisier, que participaron en este estudio, simuló el sistema utilizando una computadora de alto rendimiento en el CSCS en Lugano. Esto le permitió confirmar que el cortocircuito en la punta del punto plateado es provocado por un solo átomo.

Una señal verdaderamente digital

Como el plasmón no tiene más opciones que atravesar el cuello de botella completamente o no, esto produce una señal verdaderamente digital, un uno o un cero. "Esto nos permite crear un conmutador digital, como con un transistor. Hemos estado buscando una solución como esta durante mucho tiempo, "resume Leuthold.

Todavía, el modulador no está listo para la producción en serie. Aunque tiene la ventaja de funcionar a temperatura ambiente, a diferencia de otros dispositivos que funcionan con efectos cuánticos en este orden de magnitud, sigue siendo muy lento para un modulador:hasta ahora, solo funciona para cambiar frecuencias en el rango de megahercios o por debajo. Los investigadores de ETH quieren ajustarlo para frecuencias en el rango de gigahercios a terahercios.

Mejorando el proceso de litografía

Los investigadores también quieren mejorar aún más el método de litografía, que fue remodelado por Emboras desde cero para construir las piezas, para que componentes como este se puedan producir de forma fiable en el futuro. En el presente, la fabricación solo tiene éxito en uno de cada seis intentos. Sin embargo, los investigadores consideran que esto es un éxito, ya que los procesos de litografía a escala atómica siguen siendo un territorio inexplorado.

Para continuar su investigación sobre el nanomodulador, Leuthold ha reforzado su equipo. Sin embargo, Señala que se necesitarían mayores recursos para desarrollar una solución disponible comercialmente. A pesar de esto, el profesor de ETH confía en que él y su equipo podrán presentar una solución viable en los próximos años.