Kleinster elektro-optischer Wandler Signale mit 108 GBit/s konvertieren

Damit Daten schneller zwischen Chips übertragen werden können, sind elektro-optische Wandler notwendig. Forscher haben einen Mach-Zehnder-Modulator entwickelt, der digitale Daten mit 108 GBit/s in optische Signale konvertiert.

Anbieter zum Thema

ODU GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Mit dem Mach-Zehnder-Modulator (MZM) lassen sich elektronische in optische Signale konvertieren. Forscher des KIT aus Karlsruhe und der ETH haben jetzt einen plasmonischen MZM entwickelt, der gerade einmal 12,5 µm lang ist. Der somit kleinste elektro-optische Wandler der Welt konvertiert digitale elektrische Signale mit einer Rate von 108 GBit/s. Bei einem plasonischen Modulator handelt es sich um einen elektrooptischen Wandler.

Das Bauteil besteht aus zwei Armen, in denen sich je ein elektro-optischer Modulator befindet. Jeder Modulator besteht aus einem Metall-Isolator-Metall-Wellenleiter mit einem rund 80 nm breiten mit elektro-optischem Kunststoff gefüllten Spalt und Gold-Seitenwänden, die zugleich als Elektroden funktionieren.

Elektro-optischer Kunststoff ändert Brechungsindex

An den Elektroden liegt eine Spannung an, die im Takt der digitalen Daten moduliert wird. Der elektro-optische Kunststoff ändert seinen Brechungsindex in Abhängigkeit von der Spannung. Wellenleiter und Koppler aus Silizium führen die beiden Anteile eines aufgespaltenen Lichtstrahls zu den Spalten oder davon weg.

Die Lichtstrahlen der Wellenleiter regen im jeweiligen Spalt elektromagnetische Oberflächenwellen, sogenannte Oberflächen-Plasmonen an. Durch die am Kunststoff anliegende Spannung werden die Oberflächenwellen moduliert. Die Modulation erfolgt in beiden Spalten unterschiedlich aber kohärent, da dieselbe Spannung mit unterschiedlicher Polung angelegt wird.

Nach Durchlaufen der Spalte treten die Oberflächenwellen zunächst als modulierte Lichtstrahlen in die Ausgangs-Lichtwellenleiter ein und werden danach überlagert. Als Ergebnis erhält man einen Lichtstrahl, in dessen Stärke, der Amplitude, die digitale Information codiert wurde.

Im Experiment arbeitet der MZM zuverlässig im gesamten Spektralbereich der Breitband-Glasfaser-Netzwerke von 1500 bis 1600 nm bei einer elektrischen Bandbreite von 70 GHz mit Datenströmen von bis zu 108 GBit/s. Die hohe Modulationstiefe folgt aus der hohen Fertigungsgenauigkeit der Silizium-Technik. Der MZM lässt sich mit weitverbreiteten CMOS-Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen und damit leicht in aktuelle Chiparchitekturen integrieren.

Steigender Datendurchsatz notwendig

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.

„Gerade bei der Übertragung von Daten zwischen Computerchips bieten optische Techniken ein enormes Potential“, erklärt Manfred Kohl vom KIT. In dem von ihm geleiteten EU-Projekt NAVOLCHI, Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection, wurde der plasmonische Modulator (ein elektro-optischer Wandler) entwickelt, der dem aktuellen MZM zugrunde liegt: „Kompakte, optische Sende- und Empfangseinheiten könnten die Geschwindigkeitsgrenzen heutiger Elektronik durchbrechen und helfen die Engpässe in den Datenzentren abzuschaffen.“

(ID:43527209)