Energieeffiziente optische Kommunikation mit plasmonischen Wandlern

Das ist der kleinste elektrooptische Wandler der Welt

| Redakteur: Nico Litzel

Auf eine Lichtwelle (oben links) prägt der Wandler (gelb) aufgrund der angelegten Spannung digitale Bits auf (unten rechts). So werden elektrische zu optischen Signalen.
Auf eine Lichtwelle (oben links) prägt der Wandler (gelb) aufgrund der angelegten Spannung digitale Bits auf (unten rechts). So werden elektrische zu optischen Signalen. (Grafik: A. Melikyan/KIT)

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein mikrometergroßes Bauteil entwickelt, das mit einer Rate von 40 Gigabit pro Sekunde elektrische in optische Signale umwandelt.

Mithilfe von optischen Signalen laufen Daten schnell um den Erdball. Aber auch zwischen elektronischen Chips können digitale Informationen optisch schneller und energieeffizienter als elektrisch ausgetauscht werden. Eine höhere Effizienz ist auch dringend angezeigt, denn derzeit werden in Deutschland bereits zehn Prozent des gesamten Stroms durch Informations- und Kommunikationstechnik verbraucht – Tendenz stark steigend. Da der Datenverkehr exponentiell anwächst, braucht es neue Ansätze, die den Durchsatz weiter steigern und zugleich den Energieverbrauch dämpfen.

Im Fachmagazin „Nature Photonics“ wurde ein Bauteil vorgestellt, das diese Anforderungen erfüllen kann: ein Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulator, der gerade einmal 29 Mikrometer lang ist und elektrische Signale mit einer Rate von 40 Gigabit pro Sekunde in optische umwandelt.

Immer näher am Prozessor

„Der Übergang vom elektrischen zum optischen Signal passiert immer näher am Prozessor“, erklärt Jürg Leuthold, der die Entwicklung des Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulators am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreut hat und inzwischen an der ETH Zürich forscht. „Dadurch lassen sich Geschwindigkeitsvorteile erzielen, aber vor allem Leitungsverluste vermeiden. Dies wäre ein wichtiger Baustein, um den Energiebedarf der wachsenden Informationstechnologie zu dämpfen.“

Der elektrooptische Wandler besteht aus zwei parallelen Goldelektroden, die rund 29 Mikrometer lang sind und durch einen etwa einen zehntel Mikrometer breiten Spalt voneinander getrennt sind. Zur Verdeutlichung: Mit diesen Maßen ist der Wandler in etwa so lang, wie ein Drittel eines Haares breit ist.

So funktioniert die Signalumwandlung

An den Elektroden liegt eine Spannung an, die im Takt der digitalen Daten moduliert wird. Der Spalt zwischen den Goldelektroden ist mit einem elektrooptischen Kunststoff gefüllt. Der Brechungsindex des Kunststoffes ändert sich in Abhängigkeit der angelegten Spannung. Zwei Wellenleiter aus Silizium führen das Licht zum Spalt oder von ihm weg. „Ein kontinuierlicher Lichtstrahl aus dem Leiter regt im Spalt elektromagnetische Oberflächenwellen, sogenannte Oberflächen-Plasmonen an“, erklärt Argishti Melikyan vom KIT, Erstautor der Veröffentlichung. „Durch die am Kunststoff anliegende Spannung werden die Oberflächenwellen moduliert. Nach Durchlaufen des Spalts treten diese als modulierter Lichtstrahl in den abführenden Lichtwellenleiter ein. In der Phase des Lichts sind dann die Datenbits codiert.“

Zahlreiche Tests hätten gezeigt, dass der elektrooptische Wandler verlässlich Datenströme mit rund 40 Gigabit pro Sekunde umsetzt. Dabei nutze er das auch im Breitbandglasfasernetz übliche Infrarotlicht, das eine Wellenlänge von 1.480 bis 1.600 Nanometer hat. Darüber hinaus zeige das Bauteil auch bei Temperaturen bis 85 Grad Celsius keine Betriebsabweichung. Der vorgestellte Wandler habe zudem noch einen weiteren Vorteil, denn er lasse sich mit dem weitverbreiteten CMOS-Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen und sich damit leicht in aktuelle Chiparchitekturen integrieren.

Datenraten von einigen Terabit pro Sekunde

„Das Bauteil vereint viele positive Eigenschaften anderer Systeme, wie etwa eine hohe Modulationsgeschwindindigkeit, Kompaktheit und Energieeffizienz. Zukünftig könnten plasmonische Bauteile zur Signalverarbeitung im Terahertz-Bereich verwendet werden“, sagt Christian Koos vom Karlsruher Institut für Technologie, Sprecher der Helmholtz International Research School of Teratronics (HIRST), die sich am KIT mit der Fusion photonischer und elektronischer Verfahren zur ultraschnellen Signalverarbeitung befasst. „Plasmonische Wandler würden zu Hunderten auf einen Chip passen und Datenraten von einigen Terabit pro Sekunde ermöglichen.“

Der elektrooptische Wandler wurde im Rahmen des EU-Projekts NAVOLCHI, Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection, entwickelt. Ziel ist es, die Interaktion von Licht und Elektronen in Metalloberflächen auszunutzen, um neuartige Bauteile für die Datenübertragung zwischen Chips zu entwickeln. „Die elektrische Chip-zu-Chip-Datenübertragung stößt an ihre Grenzen“, fasst Projektleiter Manfred Kohl vom KIT zusammen. „NAVOLCHI schickt sich an, diese mit optischen Technologien zu überwinden.“ Das Projekt wird im siebten Forschungs-Rahmenprogram der EU gefördert und verfügt über ein Budget von 3,4 Millionen Euro.

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