Электроны давно зарекомендовали себя как незаменимый носитель сигналов в электронных цепях благодаря малым размерам и хорошему взаимодействию друг с другом и с материалами электронных схем. Фотоны, претендующие на ту же роль, могут делать то же самое быстрее и с меньшими затратами энергии, но они заметно больше электронов, что требует больше энергии на переключение световых потоков, а также они хуже взаимодействуют с материалами. На практике для дальней связи, например, электроны преобразуют в фотоны для передачи по оптическим каналам и на входе в электронику делают обратное преобразование. Было бы заманчиво избежать подобной затратной по всем статьям трансформации и создать оптические коммутаторы, которые бы напрямую управляли фотонами.
Такой коммутатор создали учёные из Института электромагнитных полей при ETH Zurich вместе с американскими коллегами из NIST (National Institute of Standards and Technology) и шведского Технического университет им. Чалмерса в Гётеборге (Chalmers University in Gothenburg). Статья по теме выложена на сайте издания Science. В основе изобретения лежит явление под названием плазмоника. Плазмон ― это квазичастица, представляющая собой облако возбуждённых электронов на поверхности материала. Свет (фотоны), распространяясь вдоль границы между двух материалов в зазоре из воздуха или стекла, частично проникает в материалы и вызывает на их поверхности участки возбуждения ― те самые плазмоны. Тем самым возникает взаимодействие света с материалами, чем можно научиться управлять.
Созданный учёными электроннооптикомеханический переключатель представляет собой решётку из кремниевых или кварцевых волноводов, в местах пересечения которых встроены управляемые коммутаторы. По сути коммутаторы являются оптическими резонаторами, которые без потерь пропускают свет в волноводе по прямой или заставляют его повернуть под углом 90 градусов, если резонанс нарушается.
Сам по себе узел коммутатора ― это круглая золотая мембрана диаметром 4 мкм толщиной 40 нм. Между кремниевой подложкой и мембраной проложена небольшая по диаметру прокладка из оксида алюминия. Тем самым края мембраны могут подниматься или, при подаче питания под действием возникающего электростатического поля, прижиматься к подложке. Когда края мембраны подняты, фотоны беспрепятственно по прямой минуют коммутатор, но когда края опущены, между фотонами и материалом мембраны в зазоре возникают плазмоны. В этот момент фаза световой волны меняется на 180 градусов, условия для резонанса нарушаются и свет огибает мембрану для перенаправления под углом 90 градусов по перпендикулярному волноводу.
По словам учёных, переключение светового канала возможно со скоростью в несколько млн раз в секунду, хотя до пикосекундной скорости переключения модулятор не дотягивает и, следовательно, не подходит для прямой модуляции светового потока. Но даже в таком виде предложенный коммутатор может найти применение в системе компьютерного зрения автопилотов (в лидарах) и в квантовых оптических вычислителях. Самое главное, что технология подходит для выпуска коммутаторов с использованием обычного КМОП-техпроцесса. Управляющее напряжение не превышает 1 В, а электрические характеристики намного лучше, чем у современных более громоздких электроннооптикомеханических аналогов.