Vom Strom zum Lichtstrahl: In Glasfaserkabeln fließen gewaltige digitale Datenmengen um die Welt. Bevor sie mit Hochgeschwindigkeit übertragen werden können, müssen diese Daten jedoch erst aus elektrischen Signalen in optische umgewandelt werden. Karlsruher Wissenschaftler haben nun im Fachmagazin „Nature Photonics“ ein Bauteil vorgestellt, das 40 Milliarden Bits pro Sekunde umwandeln kann und dabei kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Datenwandler dieser Art könnten den Forschern zufolge nicht nur die Datenübertragung beschleunigen, sondern auch Energie sparen.
Glasfaserkabel bilden die Grundlage moderner Datenübertragung. Dank optischer Signale laufen Daten in solchen Leitungen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um den Erdball. Aber auch zwischen elektronischen Chips könnten optische Signale digitale Informationen schneller und energieeffizienter übermitteln. Die elektrischen Signale müssen dazu jedoch erst einmal in optische Signale umgewandelt werden. Dazu bedarf es jedoch schneller und möglichst kleiner „Umschaltstationen“. Der elektrooptische Wandler, den Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun entwickelt haben, könnte eine genau solche Option bieten.
Weniger als Haaresbreite
Der neue elektrooptische Wandler besteht aus zwei Goldelektroden, die parallel zueinander angeordnet sind und nur etwa 29 Mikrometer lang sind. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden ist ein winziger Spalt von nur einem Zehntel Mikrometer Breite. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa dreimal so breit wie der ganze Aufbau zusammen. An den Elektroden liegt eine Spannung an, deren Takt der digitalen Information entspricht. Das Licht wird durch zwei Silizium-Leiter durch den Spalt zwischen den Elektroden geleitet.
Hier geschieht die tatsächliche Modulation des Lichtstrahls: Der Spalt ist mit einem Kunststoff gefüllt, dessen Brechungsindex sich mit angelegter Spannung ändert. „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.“ Diese veränderten Oberflächenwellen beeinflussen die Phase des Lichtstrahls. Digitale Informationen lassen sich so über die elektrische Spannung an den Elektroden in ein optisches Medium übertragen.
Schnell, stabil und effizient
Zahlreiche Tests ergaben, dass der elektrooptische Wandler verlässlich Datenströme mit einer Frequenz von rund 40 Gigabit pro Sekunde umsetzt. Er nutzt das auch im Breitbandglasfasernetz übliche Infrarotlicht mit der Wellenlänge von 1480-1600 Nanometer und funktioniert einwandfrei bei Temperaturen bis zu 85 Grad Celsius, wie die Forscher berichten. Der vorgestellte Wandler ist damit der kleinste und kompakteste Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulator der Welt. Zudem lässt er sich sehr einfach mit weitverbreiteten Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen.
Weil der Wandler so klein ist, ließe er sich leicht als Bauteil in aktuelle elektronische Chips integrieren. „Der Übergang vom elektrischen zum optischen Signal passiert immer näher am Prozessor“, sagt Jürg Leuthold, der die aktuelle Entwicklung am Karlsruher Institut für Technologie betreut hat. „Dadurch lassen sich Geschwindigkeitsvorteile erzielen, aber vor allem Leitungsverluste vermeiden.“ Der neuartige Wandler ist damit deutlich energieeffizienter als bisherige Technologien. Beim derzeitig exponentiell anwachsenden Datenverkehr ist das ein wichtiger Faktor: Derzeit werden in Deutschland rund zehn Prozent des Stromes durch Informations- und Kommunikationstechnologien verbraucht, etwa durch Computer und Smartphones beim Nutzer, aber auch durch die Server in großen Rechenzentren.
(Nature Photonics, 2014; doi: 10.1038/NPHOTON.2014.9)
(Karlsruher Institut für Technologie, 17.02.2014 – AKR)
