Bis 40 Gigabit pro Sekunde Kleinster elektrooptischer Wandler vorgestellt

Mit optischen Signalen lassen sich nicht nur Daten über ganze Kontinente übertragen. Auch zwischen elektronischen Chips lassen sich digitale Informationen schnell und energieeffizient austauschen. Dazu hat das KIT Karlsruhe einen Baustein entwickelt, der 29 µm lang ist und elektrische Daten mit einer Rate von 40 Gigabit pro Sekunde in optische Signale umwandelt.

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Der elektrooptische Wandler des KIT aus Karlsruhe besteht aus zwei parallelen Goldelektroden, die etwa 29 Mikrometer lang sind und durch einen etwa einen zehntel Mikrometer breiten Spalt getrennt sind. Der Aufbau ist also etwa so lang wie ein Drittel eines Haares breit ist und belegt Bruchteile der Querschnittsfläche eines Haares. An den Elektroden liegt eine Spannung an, die im Takt der digitalen Daten moduliert wird. Der Spalt ist mit einem elektro-optischen Kunststoff gefüllt, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit von der Spannung verändert. Zwei Wellenleiter aus Silizium führen das Licht zum Spalt bzw. 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.“

Datenströme mit rund 40 Gigabit pro Sekunde

In zahlreichen Tests wurde gezeigt, dass der elektrooptische Wandler verlässlich Datenströme mit rund 40 Gigabit pro Sekunde umsetzt. Er nutzt das auch im Breitbandglasfasernetz übliche Infrarotlicht mit der Wellenlänge von 1480 bis 1600 Nanometer und zeigt auch bei Temperaturen bis 85 Grad Celsius keine Betriebsabweichung. Der vorgestellte Wandler ist der kleinste und kompakteste Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulator der Welt. Zudem lässt er sich mit weitverbreiteten CMOS-Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen und damit leicht in aktuelle Chiparchitekturen integrieren.

„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.“

Derzeit werden in Deutschland rund 10 Prozent des Stromes durch Informations- und Kommunikationstechnologien verbraucht, etwa durch Computer und Smartphones beim Nutzer, aber auch durch die Server in großen Rechenzentren. Da der Datenverkehr exponentiell anwächst, bedarf es neuer Ansätze, die den Durchsatz steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch dämpfen. Plasmonische Bauteile könnten hier einen entscheidenden Beitrag liefern.

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