Najmniejszy optyczny przełącznik na świecie - atom srebra przyspieszy transfer danych

Ruch danych w sieci zwiększa się w zawrotnym tempie – praktycznie każdego roku objętość danych przesyłanych w sieci przewodowej i mobilnej wzrasta odpowiednio o 23 i 57 proc. To oznacza, że głównym celem inżynierów powinna być teraz maksymalizacja efektywności poszczególnych elementów sieciowych. Z tą motywacją naukowcy z zuryskiej Politechniki Federalnej opracowali najmniejszy zintegrowany przełącznik optyczny na świecie. Cała jego praca bazuje na ruchach jednego atomu.

Czym jest modulator? To komponent konwertujący informacje w formie elektrycznej na sygnały optyczne – szybki przełącznik, który włącza lub wyłącza laser w zależności od otrzymanego „polecenia”. Choć modulatory są stosunkowo niewielkie (ich wymiary liczone są w centymetrach), w centrach danych potrzeba tysięcy takich komponentów, przez co zajmują one sporo miejsca. Propozycja szwajcarskich naukowców może być rozwiązaniem tego problemu.

Od mikromodulatorów do nanomodulatorów

Sześć miesięcy temu naukowcy udowodnili, że modulatory mogą być mniejsze i bardziej energooszczędne – zaprezentowali wówczas mikromodulator mierzący zaledwie 10 mikrometrów (10 000 razy mniej niż komponenty stosowane obecnie). Zaraz potem postanowili iść na całość – to znaczy stworzyć najmniejszy optyczny modulator na świecie. I cóż, przy obecnej wiedzy, to najmniejszy możliwy komponent – jego działanie opiera się bowiem na jednym atomie.

Co ciekawe, zaskoczeni swoim osiągnięciem byli nawet sami naukowcy. Dlaczego? Ponieważ ich przełącznik jest mniejszy niż długość fali jego światła. Teoretycznie optyczne urządzenie nie może być mniejsze niż długość fali, którą przetwarza. „Do niedawna też myślałem, że to niemożliwe” - przyznał Juerg Leuthold, stojący na czele zespołu.

Jak to działa? 

Wyobraźcie sobie krzemowy falowód, w którego górnej części zainstalowano dwie małe podkładki: jedną ze srebra, drugą z platyny. Od siebie dzielą ich zaledwie nanometry. Do tej szczeliny kierowane jest światło prowadzone przez falowód. Wówczas następuje konwersja światła w plazmony powierzchniowe, których elektrony oscylujące z częstotliwością światła laserowego. To pozwala im „przepłynąć” przez szczelinę. Po drugiej stronie zaś powracają do stanu pierwotnego (sygnał optyczny). 

Sama zasada brzmi natomiast następująco: przyłożenie napięcia do podkładki ze srebra zamyka szczelinę (pojedynczy atom srebra scala obwód), a jego usunięcie – cofa atom i pozwala modulatorowi działać z wydajnością milionów sygnałów na sekundę.

Problemy i potencjalne korzyści

Aktualnie trwają próby opracowania procesu produkcji takich modulatorów. Na razie bowiem tylko jedna na sześć prób okazała się udana. Dlatego też trudno – przynajmniej teraz – powiedzieć kiedy należy się spodziewać rynkowego debiutu tych komponentów.

Dlaczego warto czekać? Przede wszystkim dlatego, że takie modulatory oznaczają wzrost wydajności przełączników (a co za tym idzie: przyspieszenie transmisji danych), a jednocześnie duże oszczędności (tak pieniędzy, jak i miejsca). Zwiększeniu powinna ulec też niezawodność – plazmon nie ma bowiem innej możliwości niż przejść w całości przez szczelinę albo nie przejść w ogóle – to prawdziwie cyfrowy sygnał: 0 lub 1.

Źródło: ETHZ 
Foto: Alexandros Emboras / ETH Zurich (1,2), Peter Rüegg / ETH Zurich (3)