Kohlenstoff-Röhrchen als neue Lichtquelle für die Opto-Elektronik der Zukunft Nanoröhrchen lassen Chips leuchten - scinexx | Das Wissensmagazin
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Kohlenstoff-Röhrchen als neue Lichtquelle für die Opto-Elektronik der Zukunft

Nanoröhrchen lassen Chips leuchten

Kohlenstoff-Nanoröhre über einem photonischen Kristall-Wellenleiter mit Elektroden © WWU

Licht im Chip: Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten Computerchips künftig schneller machen. Denn mit ihnen lassen sich elektrische Signale direkt auf dem Chip in optische Datenpulse umwandeln, wie Forscher nun demonstrieren. Ihr Mini-Bauteil besteht Nanoröhrchen als Lichtwandlern und einem nanostrukturierten Wellenleiter, der das Licht in präzise Signale umwandelt – eine wichtige Voraussetzung für optische Computer.

Nachrichtenübertragung durch Licht ist heute längst Alltag und sogar im Erdorbit dient Laserlicht inzwischen der Datenübertragung. Anders sieht es dagegen im Rechner aus, auf der Ebene der Computerchips. Forscher sind gerade erst dabei, Chips zu entwickeln, die elektronische und photonische Bauteile kombinieren. Erst vor wenigen Wochen gelang es, erstmals einen effizienten Mini-Laser direkt in einen Silizium-Chip zu integrieren.

Jetzt haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) erstmals eine aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestehende Lichtquelle für Computerchips entwickelt. Sie wandelt elektrische Signale in klar definierte optische Signale um. Dieser Signalwandler bündelt dabei das Licht fast so stark wie ein Laser und spricht mit hoher Geschwindigkeit auf variable Signale an, wie die Forscher berichten.

Der neue Nanoröhrchen-Lichtwandler besteht aus winzigen Gruben im Silizium, die als Wellenleiter fungieren. Durch eine Gravur mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithografie erhält der wenige Mikrometer lange Wellenleiter feinste Hohlräume von einigen Nanometern Größe, die seine optischen Eigenschaften bestimmen.

Als Lichtquelle fungieren die Nanoröhrchen. Diese einen Mikrometer langen und einen Nanometer dicken Kohlenstoff-Nanotubes werden quer zum Wellenleiter platziert und liegen an beiden Enden auf Metallkontakten auf. Wird nun elektrische Spannung angelegt, geben die Nanoröhrchen Photonen ab. Der Wellenleiter sorgt dann dafür, dass dieses Licht in klar definierte Signale umgewandelt wird.

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„Die Nanostrukturen wirken wie ein photonischer Kristall und erlauben es die Eigenschaften des Lichtes aus dem Röhrchen maßzuschneidern“, erklären Felix Pyatkov und Valentin Fütterling vom KIT. „So können wir sehr schmalbandiges Licht in der gewünschten Farbe auf dem Chip erzeugen.“ Bereits jetzt können diese opto-elektronischen Bauelemente Lichtsignale im Giga-Hertz-Frequenzbereich aus elektrischen Signalen erzeugen.

Wie die Forscher berichten, eröffnet der nun vorgestellte kompakte Strom-Licht-Signalwandler damit die Anforderungen für die nächste Generation von Computern. Sie könnten dann künftig elektronische Komponenten mit nanophotonischen Wellenleitern verbinden. (Nature Photonics, 2016; doi: 10.1038/NPHOTON.2016.70)

(Karlsruher Institut für Technologie, 21.04.2016 – NPO)

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