Швейцарские ученые создали микромодулятор, а потом и наномодулятор

Москва, 17:49, 02 Фев 2016, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Количество данных, передаваемых по каналам связи сетей, растет с невероятной скоростью во всем мире. Объем данных для проводной и мобильной связи в настоящее время существенно возрастает — на 23% и 57%, соответственно, каждый год. Это означает, что все компоненты сети должны постоянно становиться более эффективными.

Эти сетевые компоненты включают в себя модуляторы, преобразующие информацию, которая первоначально доступна в электрическом виде, в оптические сигналы и работающие по принципу электрического выключателя лазерного сигнала, в зависимости от частоты поступающих электрических сигналов. Модуляторы устанавливаются в центрах обработки данных, и их тысячи. Однако, все они довольно большие – несколько сантиметров в поперечнике, что становится проблемой при их использовании в больших количествах.

Поэтому изобретатели переходят от модуляторов к микромодуляторам к наномодуляторам.

Шесть месяцев назад, рабочей группе под руководством профессора Юрга Леуфольда, уже удалось создать микромодулятор всего 10 микрометров в поперечнике … или в 10000 раз меньше, чем современные коммерческие модуляторы.

Теперь ученые вышли на следующий уровень, разработав оптический наномодулятор, функционирующий на уровне отдельных атомов. То есть, он занимает места еще в 1000 раз меньше,  чем даже микромодулятор!

 Наномодулятор значительно меньше, чем длина волны света, используемого в системе. В телекоммуникации оптические сигналы передаются с использованием лазерного света с длиной волны 1,55 мкм. Как правило, оптический прибор не может быть меньше, чем длина волны, которую он должен обрабатывать.

Но ученые опровергли законы оптики, успешно построив модулятор путем проникновения в порядок отдельных атомов.

Наномодулятор состоит из двух крошечных накладок, одна из серебра, а другая из платины, поверх оптического волновода, изготовленного из кремния. Две накладки располагаются параллельно друг другу на расстоянии всего нескольких нанометров, с небольшой выпуклостью на серебряной накладке, выступающей в зазор и почти касающейся платиновой накладки.

Вот как наномодулятор работает: свет, поступающий из оптического волокна, направляется к входной щели с помощью оптического волновода. Над металлической поверхностью, свет превращается в поверхностный плазмон. Плазмон возникает, когда свет передает энергию электронам в верхнем атомном слое поверхности металла, заставляя электроны осциллировать на частоте падающего света. Эти колебания электронов имеют гораздо меньший диаметр, чем сам луч света, что позволяет им войти в щель и пройти через узкое место между накладками. На другой стороне, колебания электронов могут быть преобразованы обратно в оптический сигнал.

Когда напряжение подается на серебряную накладку, один атом серебра движется к кончику выступа на ней. Это создает короткое замыкание между серебром и платиной с протеканием электрического тока, закрывая «лазейку» для плазмона — переключатель переворачивается и состояние меняется с «вкл» на «выкл». Как только напряжение падает ниже определенного порога, атом серебра движется назад. Разрыв открывается для плазмона, и переключатель снова находится в положении «вкл». Этот процесс может повторяться миллионы раз.

Когда плазмон не имеет никакого другого выбора, кроме как либо пройти через узкое место, либо нет, это создает поистине цифровой сигнал — один или ноль. «Это позволяет нам создать цифровой переключатель, как транзистор. Мы давно искали такое решение», — резюмирует профессор Леуфольд.

Пока, наномодулятор еще не готов для серийного производства. В отличие от других устройств, работающих на основе квантовых эффектов, он по-прежнему остается очень медленным: пока это работает только для переключения частот в мегагерцовом диапазоне или ниже. Швейцарская Высшая техническая школа хочет настроить его работу на частотах от гигагерца до терагерцового диапазона.