Biegen von Licht um enge Kurven ohne Rückstreuungsverluste

Ingenieure der Duke University haben ein Gerät demonstriert, das Photonen des Lichts praktisch ohne Verluste durch Rückstreuung um scharfe Ecken lenken kann, eine Schlüsseleigenschaft, die notwendig sein wird, wenn Elektronik jemals durch lichtbasierte Geräte ersetzt werden soll.

Das Ergebnis wurde mit photonischen Kristallen erzielt, die auf dem Konzept der topologischen Isolatoren aufbauen, das seinen Entdeckern 2016 den Nobelpreis einbrachte. Durch die sorgfältige Steuerung der Geometrie eines Kristallgitters können Forscher verhindern, dass Licht durch sein Inneres wandert und es gleichzeitig perfekt entlang seiner Oberfläche durchlässt.

Durch diese Konzepte erreicht das Gerät seine nahezu perfekte Durchlässigkeit um Ecken, obwohl es viel kleiner ist als bisherige Konstruktionen.

Die Semiconductor Industry Association schätzt, dass die Zahl der elektronischen Geräte so schnell steigt, dass es bis zum Jahr 2040 nicht genug Strom auf der ganzen Welt geben wird, um sie alle zu betreiben. Eine mögliche Lösung besteht darin, sich auf massenlose Photonen zu konzentrieren, um die Elektronen zu ersetzen, die derzeit für die Datenübertragung verwendet werden. Neben der Energieeinsparung versprechen photonische Systeme auch eine höhere Geschwindigkeit und Bandbreite.

Photonen werden bereits in einigen Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise in der On-Chip-Photonik. Ein Nachteil der heutigen Technologie ist jedoch, dass solche Systeme das Licht nicht effizient drehen oder biegen können. Damit Photonen jedoch jemals Elektronen in Mikrochips ersetzen können, ist es notwendig, sich in mikroskopischen Räumen um Ecken zu bewegen.

„Je kleiner das Gerät, desto besser, aber natürlich versuchen wir auch, Verluste zu minimieren“, sagt Wiktor Walasik, Postdoktorand für Elektro- und Computertechnik bei Duke. „Es gibt viele Leute, die daran arbeiten, ein vollwertiges optisches Computersystem zu ermöglichen. Wir sind noch nicht da, aber ich denke, das ist die Richtung, in die wir gehen.“

Frühere Demonstrationen haben auch kleine Verluste bei der Führung von Photonen um die Ecke gezeigt, aber die neue Duke-Forschung macht es auf einem rechteckigen Gerät, das nur 35 Mikrometer lang und 5,5 Mikrometer breit und 100 mal kleiner ist als die zuvor gezeigten Geräte auf Ringresonatorbasis.

In der neuen Studie, die am 12. November in der Zeitschrift Nature Nanotechnology online erschien, fertigten die Forscher topologische Isolatoren mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie und maßen die Lichtdurchlässigkeit durch eine Reihe von scharfen Kurven. Die Ergebnisse zeigten, dass jeder Zug nur zu einem Verlust von wenigen Prozent führte.

„Die Lichtführung um scharfe Ecken in herkömmlichen photonischen Kristallen war bisher nur durch einen langen, mühsamen Prozess möglich, der auf einen bestimmten Parametersatz zugeschnitten ist“, sagt Natasha Litchinitser, Professorin für Elektro- und Computertechnik bei Duke. „Und wenn du auch nur den kleinsten Fehler bei der Herstellung gemacht hast, hat es viele der Eigenschaften verloren, die du zu optimieren versucht hast.“

„Aber unser Gerät wird unabhängig von seinen Abmessungen und seiner Geometrie des Photonenpfades funktionieren und der Photonentransport ist topologisch geschützt“, fügte Michail Shalaev hinzu, Doktorand im Labor von Litchinitser und Erstautor der Arbeit. „Das bedeutet, dass selbst bei kleinen Defekten in der photonischen kristallinen Struktur der Hohlleiter sehr gut funktioniert. Es ist nicht so empfindlich auf Fabrikationsfehler.“

Die Forscher weisen darauf hin, dass ihr Gerät auch eine große Betriebsbandbreite hat, mit modernen Halbleiterherstellungstechnologien kompatibel ist und mit Wellenlängen arbeitet, die derzeit in der Telekommunikation verwendet werden.

Als nächstes versuchen die Forscher, ihren Hohlleiter dynamisch abstimmbar zu machen, um die Bandbreite seines Betriebs zu verschieben. Dies würde es ermöglichen, den Hohlleiter nach Belieben ein- und auszuschalten – ein weiteres wichtiges Merkmal, damit rein optische photonenbasierte Technologien jemals Realität werden.

Jetzt versuchen die Forscher, einen Hohlleiter herzustellen, der nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden kann – ein weiteres wichtiges Merkmal, damit rein optische photonenbasierte Technologien jemals Realität werden.

Mehr Informationen:
Mikhail I. Shalaev et al, Robuster topologisch geschützter Transport in photonischen Kristallen bei Telekommunikationswellenlängen, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10,1038/s41565-018-0297-6

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