Massive Miniaturisierung Photonik rückt dem Silizium auf den Pelz

Redakteur: Peter Koller

Photonische Schaltkreise sind ein möglicher Kandidat für die Elektronik der Zukunft. Bislang waren damit aber keine Strukturbreiten möglich, wie sie Silizium heute bietet. Zwei Forschungsarbeiten eröffnen jetzt aber einen großen Schritt in eine massive Miniaturierung photonischer Strukturen.

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Polarisierte Lichtpulse werden in eine Nano-Antenne eingespeist, an Drähten in jeweils entsprechenden Ladungswellenmustern weitergeleitet und wieder abgestrahlt. Diese Steuerung von Photonen in extrem kleinen Strukturen konnten Würzburger Wissenschaftler erstmals realisieren.
Polarisierte Lichtpulse werden in eine Nano-Antenne eingespeist, an Drähten in jeweils entsprechenden Ladungswellenmustern weitergeleitet und wieder abgestrahlt. Diese Steuerung von Photonen in extrem kleinen Strukturen konnten Würzburger Wissenschaftler erstmals realisieren.
(Grafik: Thorsten Feichtner)

In der Computertechnologie gelingt es schon seit Jahren nicht mehr, die Taktrate der klassischen Prozessoren zu erhöhen. Eine stärkere Rechnerleistung lässt sich nur noch durch Tricks erreichen, etwa durch die Verwendung mehrerer Prozessorkerne.

Die Forschung sucht darum nach neuartigen Konzepten. Vielversprechend erscheinen optische Schaltkreise, die mit Lichtteilchen (Photonen) arbeiten – auch weil sie sich vermutlich für die Übertragung von Daten zwischen Quantencomputern eignen. Solche superschnellen Rechner gibt es zwar noch nicht, aber an ihrer Realisierung wird weltweit geforscht.

Einen grundlegenden Schritt hin zu optischen Schaltkreisen haben die Arbeitsgruppen der Professoren Bert Hecht und Tobias Brixner an der Universität Würzburg gemacht: Die Wissenschaftler schafften es, ein Lichtsignal über eine Antenne in einen Wellenleiter einzuspeisen und es am anderen Ende über eine zweite Antenne wieder abzugeben.

Das Besondere daran: Die Übertragung des optischen Signals gelang den Forschern in winzigen Strukturen, die in die heutige Mikroelektronik integrierbar sind: Antennen und Wellenleiter messen jeweils nur wenige hundert Nanometer. In solch kleinen Dimensionen kann man Photonen normalerweise nicht handhaben: „Sie lassen sich nur äußerst ungern in enge Räume zwingen“, erklärt Hecht. „Darum ist es bislang auch schwierig, photonische Technologien mit Siliziumtechnologien zu kombinieren, wie sie üblicherweise auf Chips verwendet werden.“

Erfolg mit schwingenden Plasmonen

Wie ist den Forschern dann die Bändigung der Photonen geglückt? Sie setzten nicht auf freie, sondern auf gebundene Photonen. Die entstehen unter bestimmten Bedingungen an der Oberfläche von gut leitenden Metallen wie Gold. Dort eintreffendes Licht kann Elektronenschwingungen erzeugen, so genannte Plasmonen, die sich fortbewegen und an einer anderen Stelle wieder Licht abstrahlen. Plasmonen verhalten sich ähnlich wie freie Photonen, lassen sich aber auf sehr kleine Räume konzentrieren.

Den weltweit ersten einfachen Plasmonen-Schaltkreis haben die Würzburger Forscher vor kurzem im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ präsentiert. Er besteht aus einer rund 200 Nanometer langen Antenne, die mit hoher Effizienz freie Photonen einfängt und in Plasmonen umwandelt. An dieser Lichtantenne hängt ein Plasmonenleiter aus zwei feinen Golddrähten, die etwa drei Mikrometer lang sind und parallel zueinander verlaufen.

Darauf können sich die Ladungswellen in genau zwei definierten Mustern ausbreiten – dieses Phänomen kann in Zukunft eingesetzt werden, um die Bewegungsrichtung der Plasmonen zu steuern, was mit Elektronen so nicht möglich ist. Aber noch werden die Plasmonen auf ihrem Weg durch den Schaltkreis stark abgeschwächt. „Dieses Problem gilt es zu lösen, bevor das Prinzip in die Nähe der technischen Anwendbarkeit gelangen kann“, so Hecht.

Den weltweit ersten einfachen Plasmonen-Schaltkreis haben die Würzburger Forscher vor kurzem im renommierten Fachjournal „Physical Review Letters“ präsentiert.

Bei der planaren Photonik der Purdue-Forscher speichert eine Metaoberfläche mit nur 20 Nanometern Dicke ein holografisches Bild, das 10 Mikrometer über der Oberfläche zu schweben scheint.
Bei der planaren Photonik der Purdue-Forscher speichert eine Metaoberfläche mit nur 20 Nanometern Dicke ein holografisches Bild, das 10 Mikrometer über der Oberfläche zu schweben scheint.
(Xingjie Ni, Birck Nanotechnology Center)
Ein zweites Forschungsergebnis, dass in Richtung einer stärker als bisher miniaturisierten Photonik weist, wurde an der Purdue University in den USA erzielt. Den Wissenschaftlern dort gelang es, mittels Nanoantennen winzige Hologramme zu erzeugen. Die Forscher erzeugten dazu eine Metaoberfläche, bestehend aus tausenden von V-förmigen Nanoantennen auf einer hauchdünnen Goldfolie. Wird Laserlicht durch die Folie geschickt, lassen sich in einem Abstand von etwa 10 Mikrometern über der Folie Hologramme anzeigen.

Solche Metaoberflächen, bei denen ein Material durch periodische, mikroskopisch feine Strukturen besondere Eigenschaften bekommt, könnten nach Meinung der Purdue-Forscher die Manipulation einzelner Photonen in künftigen optischen Schaltern und Prozessoren ermöglichen. "Der entscheidende Punkt ist aber, dass wir solche Manipulationen nun mit einer extrem dünnen, nur 30 Nanometer dicken Schicht eines Metamaterials realisieren können", so Vladimir M. Shalaev, Wissenschaflticher Direktor am Birck Nanotechnology Center der Purdue University. "Und das bedeutet, wir können mit der Integration dieser Bauteile in klassische, Silizium-basierte Strukturen beginnen."

Ihre Ergebnisse wurden im Journal Nature Communications veröffentlicht.

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