Модуляторы, преобразующие электронные сигналы в оптические, являются базовыми компонентами современных сетей. В центрах обработки данных используются тысячи таких устройств, которые по сути являются быстродействующими коммутаторами, включающими и выключающими лазерный сигнал с частотой поступающих электронных импульсов.

Хотя размеры модуляторов не превышают нескольких сантиметров, в условиях стремительного роста объёмов сетевого трафика массивы таких компонентов занимают недопустимо много места.

Примерно полгода назад рабочая группа ETH Zurich во главе с профессором Юргом Лойтхольдом (Jürg Leuthold) продемонстрировала созданный ими микромодулятор, габариты которого — 10 мкм — были в 10 тыс раз меньше, чем коммерческих аналогов. Новым результатом работы швейцарских инженеров стал самый маленький в мире оптический модулятор, действующий на уровне отдельных атомов.

Размеры нового компонента, о котором рассказывается в статье для Nano Letters, вместе с оптическими волноводами стали ещё на три порядка меньше. Сам коммутатор еще миниатюрнее, фактически его размеры меньше длины волны лазерных сигналов, которыми он управляет (1,55 мкм).

«До недавнего времени, даже я считал невозможным преодоление этого предела», — признал Лойтхольд.

Новый, «отрицающий законы оптики» модулятор состоит из двух мельчайших площадок, серебряной и платиновой, которые размещаются на оптическом волноводе, сделанном из кремния. Их разделяет зазор всего в несколько нанометров, а выступ на серебряной площадке почти касается платиновой.

Свет из оптоволокна подаётся к началу зазора и преобразуется в поверхностные плазмоны (колебания электронов). Меньшая длина волны позволяет плазмонам распространяться в зазоре, куда световые волны проникнуть не могут. На выходе из зазора плазмоны снова преобразуются в световые сигналы.

В случае если к серебряной площадке приложено электрическое напряжение, несколько атомов серебра переходят на вершину выступа и достигают платиновой площадки. Возникающее при этом короткое замыкание закрывает проход для плазмонов — переключатель переходит в состояние «выключено». При уменьшении напряжения ниже определённого порогового значения, атомы уходят с вершины и движение плазмонов возобновляется.

Такая процедура включения и выключения может повторяться миллионы раз. Симуляции процесса на высокопроизводительных машинах суперкомпьютерного центра CSCS (Centro Svizzero di Calcolo Scientifico) в Лугано (Швейцария) подтвердили, что для замыкания достаточно всего одного атома серебра.

Экспериментальное устройство работает при комнатной температуре и в этом его преимущество перед альтернативными решениями, использующими квантовые эффекты. Тем не менее, обеспечиваемая им скорость переключения мегагерцевого уровня слишком мала для коммерческого применения. Авторы рассчитывают в следующие несколько лет увеличить частоту коммутации до гига- и терагерц.

Усовершенствовать требуется и технологию изготовления: литографические процессы на атомном уровне пока не отличаются высокой надёжностью. Сейчас годным к работе оказывается только один из шести получаемых модуляторов.