MIT forscht an opto-nanomechanischen Chips

Eine neue am MIT entwickelte Theorie könnte zu „intelligenten“ optischen Mikrochips führen, die sich den verschiedenen Wellenlängen des Lichts anpassen und das Potenzial für Verbesserungen in den Bereichen Telekommunikation, Spektroskopie und Fernerkundung besitzen.

In der Hoffnung auf überlegene Systemleistung haben die Forscher um die beiden Postdocs Peter Rakich und Milos Popovic, teilweise durch das Institute for Soldier Nanotechnologies des MIT finanziert, das Konzept von Mikrochips untersucht, die statt Elektrizität Licht verarbeiten. In seiner neuen Theorie hat das Team des MITs gezeigt, wie solche Chips mit Hilfe winziger Maschinen mit beweglichen Teilen von demselben Licht, das sie beeinflussen, angetrieben und gesteuert werden und zu einer grundlegend neuen Funktionsvielfalt führen könnten. Solche Chips könnten beispielsweise dazu verwendet werden, ferngesteuert die in einem optischen Netzwerk verfügbare Bandbreite anzupassen oder automatisch die durch ein Glasfasernetzwerk fließenden Signale komplett ohne Zuhilfenahme von Elektrizität zu verarbeiten.

Dieselben Forscher haben dieses Jahr bereits gezeigt, dass sich photonische Schaltkreise auf Siliziumchips integrieren lassen, indem man das gesamte Licht in eine Richtung polarisiert. Die aktuelle Arbeit zeigt nun, wie winzige mobile Maschinen auf solchen Chips gebaut werden können, die den erheblichen Druck ausnutzen, den Photonen beim Auftreffen auf die Wände einer Aussparung ausüben. Denn während Lichtstrahlen in der makroskopischen Welt keine signifikante Kraft ausüben – man denke nur an die gigantischen Sonnensegel, die unter anderem die NASA in ihren Planspielen anführt –, üben im mikroskopischen Bereich gerade die Photonen ultrareinen Laserlichts beim Auftreffen auf die Wände von Aussparungen einen signifikanten Strahlungsdruck aus.

Um den Strahlungsdruck auszunutzen, schlagen die Forscher vor, die Maschinen auf der Chipoberfläche aus nur einige Mikrometer großen Ringen herzustellen. Sobald der Druck auf die Wände der Aussparung hoch genug ist, wird der Ring dazu gebracht sich zu bewegen. Diese Bewegung stellt einen entscheidenden Teil einer optischen Mikromaschine dar, die ihre Anordnung auf eine vorgegebene Weise entsprechend dem Licht anpasst.

Eine einzigartige Anwendung dieses Konzepts beinhaltet das verarbeiten von Daten, die durch fiber-optische Netzwerke fließen. Die heutzutage in solchen Netzwerken verwendeten Resonatoren müssen mit dem einfallenden Licht synchronisiert werden, um in seiner Frequenz zu schwingen. Dies kann man sich im Prinzip wie das Anpassen der Tonlage eines Opernsängers vorstellen, wenn dieser ein Glas zum Schwingen bringen will. Solch ein „intelligenter“ Resonator könnte sich fortlaufend automatisch der Frequenz des einfallenden Laserlichts anpassen. Durch das Verbinden der Resonatoren mit Auslegearmen ließen sich optische Geräte analog zu Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) wie beispielsweise Beschleunigungssensoren herstellen.

Auch wenn die Forschung sich derzeit auf ringförmige Aussparungen konzentriert, ließe sich das Prinzip auch auf andere Strukturen anwenden. Ziel der Forscher ist es nun jedoch, die Theorie praktisch zu demonstrieren und verschiedene optisch angetriebene Mikro- und Nanomaschinen mit einzigartigen Fähigkeiten zu entwickeln.