Plasmonische Nano-SchaltkreisePlasmonic nanocircuits

Plasmonic nano-circuits with low insertion- and propagation-loss

Das wissenschaftliche Paper „Functional plasmonic nano-circuits with low insertion and propagation loss“ erschien im Journal Nano Letters (ACS) (doi:10.1021/nl402580c,  arxiv:10.1021/nl402580c). Es entstand im Rahmen einer internationalen Kooperation zwischen einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und der Universität Erlangen-Nürnberg und einer Forschungsgruppe am California Institute of Technology

In dieser Publikation zeigen wir, wie es möglich ist, extrem kompakte optische Schaltkreise auf Nanometerskalen zu konstruieren. Erst diese winzige Größe macht sie kompatibel mit aktuellen elektronischen Mikrochips. Wir schaffen es, diese Miniaturisierung zu erreichen und gleichzeitig Verluste in den Schaltkreisen zu vermindern, die existierende optische Nano-Schaltkreise in jeder praktischen Anwendung stark aufheizen würden. Gleichzeitig erhöhen wir die Effizienz erheblich, mit der Infrarot-Laserlicht mittels optischer Antennen in die Schaltkreise eingekoppelt wird.

Die Schaltkreise in den neuesten Mikroprozessoren (z.B. Computer-CPUs) verarbeiten Daten in Form von Elektronen-Strömen entlang sehr kleiner Drähte aus Kupfer, die nur wenige zehn Nanometer (1/1000tel eines Haardurchmessers) voneinander entfernt geführt werden. Elektrische Ströme, die einander auf diesen Leiterbahnen zu nahe kommen beeinflussen sich gegenseitig, was eine weitere Miniaturisierung extrem erschwert. Die Geschwindigkeit, mit der sich mit diesen Elektronen Daten verarbeiten lassen (derzeit im Gigahertz-Bereich) ist dadurch an einer technischen Grenze angelangt und steigert sich über die letzten Jahre nicht mehr signifikant und Energieverluste führen zu einer extremen Erzeugung von Hitze innerhalb der Prozessoren. Dies ist der Grund für die großen Lüfter, die alle modernen Computer kühlen. IBM, Intel und viele Forschungseinrichtungen weltweit forschen daher seit einigen Jahren intensiv an Alternativen und versuchen, optische Datenübertragung statt elektronischer Kabel in der Kommunikation zwischen Rechnerkomponenten einzusetzen und in die Chips selbst zu integrieren[1][2].

Weshalb Licht? Photonen beeinflussen sich nicht wie Elektronen. Allerdings ist die Integration von Lichtschaltkreisen aus einem anderen Grund limitiert: Licht lässt sich in großen und kleinen Skalen durch die Gesetze der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung (durch die Maxwell-Gleichungen) beschreiben und muss die daraus abgeleiteten physikalischen Gesetze wie das Abbe’sche Beugungslimit befolgen. Es besagt unter anderem, dass Licht sich nicht auf einem Raum von weniger als ca. einem bis einem halben Mikrometer (1000 bis 500 Nanometer) und damit weit größer als die Größenskalen aktueller Mikroprozessoren, führen lässt. Bei diesem Problem hilft die sogenannte Plasmonik[3]. Licht, das an Metall-Dielektrika-Grenzflächen geführt wird, sogenannte Plasmonen, lässt sich auf weit kleineren Skalen zusammenzupressen und entlang „plasmonischer Wellenleiter“ führen. Leider ist der Nachteil dieser Technik, dass Licht in plasmonischen Wellenleitern wieder höhere Verluste erfährt. Der Chip würde sich aufheizen, ähnlich wie bei den elektronischen Chips. 

Wir zeigen in dieser Publikation, wie sich das Problem verstärkter Verluste in derartigen plasmonischen Schaltkreisen vermeiden lässt. Wir kombinieren erstmals hoch effiziente Nanoantennen nach dem Prinzip der Yagi-Uda Radioantennen, die nur einen Mikrometer lang sind und Infrarot-Laser-Licht der in der Telekommunikation gebräuchlichen Wellenlänge 1550 nm in plasmonische Wellenleiter einkoppeln[4]. Bisher verloren solche sehr kompakten Wellenleiter innerhalb von nur wenigen Mikrometern einen großen Teil der geführten Energie, was mögliche Anwendungen sehr einschränkte, solange man nicht auf eine kompakte Integration verzichten wollte, die nicht erheblich größer als die elektronischer Chips ausfällt.

Wir stellen nun optische Schaltkreise vor, in denen lokalisierte, kleine plasmonische funktionale Einheiten mit verlustarmen plasmonischen Wellenleitern verbunden werden. Diese Integration ermöglicht effiziente Verbindungen zwischen den funktionalen Einheiten bis zu einigen hundert Mikrometern Länge. Außerdem demonstrieren wir eine sehr nützliche Anwendung der Schaltkreise, indem wir mit einem sogenannten „directional coupler“ innerhalb weniger Mikrometer länge eine sehr effektive Wellenlängenseparation erreichen. Bisher sind für dieses sogenannte „wavelength division multiplexing (WDM)“ mindestens mehrere Millimeter lange optische Komponenten notwendig.

Wir legen mit diesen Ergebnissen die Grundlage für neue Anwendungen, bei denen optische Signale in winzigen plasmonischen Schaltkreisen elektronisch moduliert werden[5] oder sogar Licht mit Licht geschaltet wird[6]. Direkte elektrische Plasmonen-Quellen oder Plasmonen-Detektoren wurden bereits vorgestellt und könnten integriert werden [7]. Diese physikalischen Experimente auf Nanometerskalen könnten in den nächsten Jahrzehnten der Grundstein für optische Prozessoren werden oder sogar, in Kombination mit derzeit von anderen Wissenschaftlern publizierten Ergebnissen, möglicherweise optische Quantencomputer auf einem Chip ermöglichen[8] .

Diesen Artikel finden Sie in einer Version auf englisch und in einer Version auf deutsch

Plasmonic nano-circuits with low insertion- and propagation-lossThe paper „Functional Plasmonic Nanocircuits with Low Insertion and Propagation Loss“ was published in the journal Nano Letters (ACS) (doi:10.1021/nl402580c, arxiv:10.1021/nl402580c). It is the result of an international collaboration between a research group at the Max Planck Institute for the Science of Light and the University of Erlangen-Nuremberg (Germany) and a research group at the California Institute of Technology (USA).

In this paper we demonstrate that it is possible to operate extremely compact optical circuits on the nanoscale, a size scale that makes it compatible and potentially competitive with state-of-the-art electronic microchips, while substantially reducing the limiting factor of heating loss and while strongly increasing the efficiency to funnel infrared laser light into these circuits with a novel design of optical nanoantennas.

Circuits on micro chips today process data with electrons, running on small wires as close as few tens of nanometers (1/1000th of a hair diameter) next to each other. Electrons mutually influence their flow  when doing so. The speed by which it is possible to clock these currents of electrons is therefore limited and energy loss leads to excessive heating of the newest micro processors which also makes the large fans in your computer necessary. IBM, Intel and many international research institutes are therefore intensely researching for an alternative for several years now. They are working to implement optical communication instead of copper wires not only into the communication between computers, but also within computer components and even within the chips[1][2].

Why optics? Photonic circuits do not suffer the shortcoming of limited packing due to coupling. However, photons obey the laws of electromagnetic radiation where Abbe’s law limits focussing and confinement to a size scale of only micrometers (1000 times a nanometer) and far above the current integration size scale of electronic integrated circuits. Plasmonics enables to scale circuitry for light down to the size scales of electronic nano-circuits which solves this problem[3]. Unfortunately, plasmonics comes with a new downside: Loss of power and conversion to heat. Light first experiences loss when being funneled into the circuit, again when it is guided through nano-scale waveguides.

We have targeted this issue by developing unprecedentedly efficient optical nanoantennas that follow the design principle of Yagi-Uda for radio-antennas and that are resonant for the electromagnetic field of infrared light at the telecommunication wavelength (1550 nm)[4]. These antennas feed a focused laser beam into waveguides. Such plasmonic waveguides usually consume most of the inserted power over a short length of few µm, strongly limiting the applicability of plasmonics, in case of high confinement that is necessary for tight integration. We demonstrate a circuitry scheme where highly confining plasmonic functional units are interconnected with low loss plasmonic waveguides that allow for large-scale connections on the size scale of tens to a hundred micrometers. We demonstrate a useful application of such circuits by implementing so-called directional couplers that allow for wavelength discrimination over a very short length of only a few micrometers where they have been seveal millimeters large in the past.

With this work we lay the foundations for future applications where optical signals will be modulated electronically in such nanoscale small circuits[5] or where these currents of photonics might even interact, light switching light[6] and where there are direct plasmon-sources (recently reported on a conference) and detectors[7] integrated. Combined with the results, recently published by other researchers it may also become possible to build quantum computers on a plasmonic-photonic chip[8] into this plasmonic platform.

This article is available in English and in German.

References

  1. N. Engheta, "Circuits with Light at Nanoscales: Optical Nanocircuits Inspired by Metamaterials", Science, vol. 317, pp. 1698-1702, 2007. http://dx.doi.org/10.1126/science.1133268
  2. D. Miller, "Device Requirements for Optical Interconnects to Silicon Chips", Proceedings of the IEEE, vol. 97, pp. 1166-1185, 2009. http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2009.2014298
  3. M.L. Brongersma, and V.M. Shalaev, "The Case for Plasmonics", Science, vol. 328, pp. 440-441, 2010. http://dx.doi.org/10.1126/science.1186905
  4. L. Novotny, and N. van Hulst, "Antennas for light", Nature Photonics, vol. 5, pp. 83-90, 2011. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2010.237
  5. J.A. Dionne, K. Diest, L.A. Sweatlock, and H.A. Atwater, "PlasMOStor: A Metal−Oxide−Si Field Effect Plasmonic Modulator", Nano Letters, vol. 9, pp. 897-902, 2009. http://dx.doi.org/10.1021/nl803868k
  6. D. Powell, "Light flips transistor switch", Nature, vol. 498, pp. 149-149, 2013. http://dx.doi.org/10.1038/498149a
  7. D. Ly-Gagnon, K.C. Balram, J.S. White, P. Wahl, M.L. Brongersma, and D.A. Miller, "Routing and photodetection in subwavelength plasmonic slot waveguides", Nanophotonics, vol. 1, 2012. http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2012-0002
  8. R.W. Heeres, L.P. Kouwenhoven, and V. Zwiller, "Quantum interference in plasmonic circuits", Nature Nanotechnology, vol. 8, pp. 719-722, 2013. http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2013.150