Più piccolo, più veloce, più economico

Nel febbraio del 1880, l'inventore americano Alexander Graham Bell sperimentò nel suo laboratorio di Washington un dispositivo che egli stesso definì il suo più grande successo, ancor prima del telefono: il "fotofono". L'idea di Bell di utilizzare la luce per trasmettere parole su lunghe distanze fu il precursore di una tecnologia senza la quale il moderno Internet sarebbe impensabile. Oggi, enormi quantità di dati vengono inviate attraverso i cavi a fibre ottiche a una velocità impressionante sotto forma di impulsi luminosi, che devono prima essere convertiti dai segnali elettrici utilizzati da computer e telefoni in segnali ottici. Bell utilizzò un semplice specchio sottile come un wafer per convertire le onde sonore in luce modulata. I modulatori elettro-ottici di oggi sono più complicati, ma hanno una cosa in comune con il loro antenato: con diversi centimetri, sono ancora piuttosto grandi, soprattutto rispetto ai componenti elettronici, che misurano solo pochi micrometri.

In un articolo innovativo pubblicato sulla rivista scientifica "Nature Photonics", Juerg Leuthold, professore di fotonica e comunicazione, e i suoi collaboratori hanno presentato un nuovo tipo di modulatore che è cento volte più piccolo e può quindi essere facilmente integrato nei circuiti elettronici. ? anche significativamente più economico e veloce dei modelli convenzionali e consuma molta meno energia.

Il trucco dei plasmoni

Per realizzare questa impresa, i ricercatori guidati da Leuthold e dal suo dottorando Christian Haffner, che ha co-sviluppato gran parte del modulatore, utilizzano un trucco tecnico. Per costruire il modulatore più piccolo possibile, devono prima concentrare in un volume molto piccolo il fascio di luce di cui si vuole modulare elettricamente la potenza. Secondo le leggi dell'ottica, però, tale volume non può essere più piccolo della lunghezza d'onda della luce stessa. Oggi per le telecomunicazioni si utilizza luce laser con una lunghezza d'onda di un micrometro e mezzo, che rappresenta quindi un limite inferiore per le dimensioni del modulatore.

Per scendere al di sotto di questo limite, la luce viene prima convertita nei cosiddetti polaritoni plasmonici di superficie. Questi ermafroditi di campi elettromagnetici ed elettroni si muovono vicino alla superficie di una striscia metallica. All'estremità della striscia metallica, si trasformano nuovamente in un fascio di luce. Il vantaggio: i polaritoni plasmonici possono essere concentrati in uno spazio molto più piccolo rispetto alla luce da cui hanno avuto origine.

Modificare l'indice di rifrazione dall'esterno

I ricercatori utilizzano il principio dell'interferometro per controllare elettricamente la forza della luce emessa e generare così gli impulsi necessari per la trasmissione dei dati. Si tratta, ad esempio, di dividere un raggio laser in due fasci utilizzando uno specchio semitrasparente e di ricombinarli con un altro specchio. Le onde luminose si sovrappongono ("interferiscono") e quindi si rafforzano o si indeboliscono a vicenda, a seconda della variazione del loro stato di oscillazione relativa (fase) nei due bracci dell'interferometro. Un cambiamento di fase è causato, ad esempio, da un diverso indice di rifrazione, che determina la velocità delle onde. Se un braccio contiene un materiale il cui indice di rifrazione può essere modificato esternamente, è possibile controllare la fase relativa delle due onde e utilizzare l'interferometro come modulatore di luce.

Nel modulatore dei ricercatori del Fare all'ETH, tuttavia, non si tratta di fasci di luce ma di polaritoni plasmonici che vengono inviati attraverso un interferometro largo meno di un micrometro. Applicando una tensione, è possibile modificare l'indice di rifrazione e quindi la velocità dei plasmoni in un braccio dell'interferometro, modulando così la loro ampiezza di oscillazione (ampiezza) in uscita. I plasmoni vengono quindi riconvertiti in luce, che viene immessa in una fibra ottica per un'ulteriore trasmissione.

Consumo di energia minore

Il modulatore sviluppato da Leuthold e dai suoi colleghi presenta diversi vantaggi. "? incredibilmente piccolo e semplice ed è anche il modulatore più economico mai costruito", spiega Leuthold. ? costituito da uno strato d'oro di appena 150 nanometri di spessore su vetro e da un materiale organico il cui indice di rifrazione cambia quando viene applicata una tensione elettrica, modulando così i plasmoni nell'interferometro. Ciò lo rende molto più piccolo dei modulatori di luce convenzionali e quindi richiede pochissima energia: a una velocità di trasmissione dati di 70 gigabit al secondo, solo pochi millesimi di watt. Ciò corrisponde a un centesimo del consumo dei modelli disponibili in commercio.

In questo modo si contribuisce anche alla tutela dell'ambiente, poiché l'energia utilizzata per la trasmissione dei dati in tutto il mondo è notevole - i modulatori sono presenti in ogni linea dati in fibra ottica. Anno dopo anno, quantità crescenti di dati devono essere trasmesse sempre più velocemente, il che aumenta anche il consumo di energia. Un risparmio centuplicato sarebbe più che benvenuto. "Il nostro modulatore crea più comunicazione con meno energia", riassume l'ETH. L'affidabilità del modulatore viene attualmente testata in prove a lungo termine, un passo importante sulla via della maturità applicativa.