Optoelektronischer Chip aus Metall

Optische Bauteile f¨¹r die Mikroelektronik m¨¹ssen in Glas gefertigt werden. Metalle eignen sich dazu nicht, weil sich optische Information darin h?chstens 100 Mikrometer weit ausbreiten kann. Dies war bis vor kurzem die g?ngige Auffassung von Wissenschaftlern. Forschende unter der Leitung von J¨¹rg Leuthold, Professor am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik, machten nun das scheinbar Unm?gliche m?glich: Sie entwickelten ein lichtprozessierendes Bauelement aus Metall. Dies berichten sie in der j¨¹ngsten Ausgabe der Fachzeitschrift externe Seite Science.

Die Meisterleistung gelang ihnen, indem sie das Element klein genug bauten. Es ist nur 3 x 36 Mikrometer gross und liegt damit in einem Gr?ssenbereich, in dem sich optische und elektrische Informationen in Metallen ausbreiten k?nnen.

Bauelement f¨¹r Glasfasernetze

Beim Bauteil handelt es sich um einen Modulator. Modulatoren wandeln elektrische Datensignale in optische um. Sie sind in modernen Internetroutern f¨¹r das Glasfasernetz verbaut und erm?glichen Glasfaser-Datenverbindungen zwischen Computereinheiten in Rechenzentren. Die heute standardm?ssig verwendeten Bauteile funktionieren jedoch grunds?tzlich anders als der neue Modulator.

Das Funktionsprinzip des neuen Bauteils: Licht aus einer Glasfaser wird auf den Modulator geleitet und versetzt die Elektronen auf dessen Oberfl?che in Schwingung. Experten sprechen dabei von einer Plasmon-Oszillation. Diese Schwingung l?sst sich durch elektrische Datenpulse indirekt ver?ndern. Wird die Schwingung der Elektronen wieder in Licht zur¨¹ckverwandelt, entsteht ein Lichtsignal, das entsprechend gepulst ist. Die Information wurde dabei von einem elektrischen in einen optischen Datenpuls ¨¹berf¨¹hrt und kann nun in Glasfasern transportiert werden.

Noch schneller und kleiner

Bereits vor zwei Jahren entwickelten Leuthold und seine Kollegen einen solchen plasmonischen Modulator (ETH-News berichtete). Es handelte sich damals um den kleinsten und schnellsten je gebauten Modulator. Damals waren auf dem Halbleiterchip allerdings noch diverse Komponenten aus Glas mitverbaut.

Indem die Wissenschaftler nun alle Glaskomponenten durch metallische ersetzen, schafften sie es, einen noch kleineren Modulator zu bauen, der bei einer noch h?heren Geschwindigkeit arbeitet. ?In Metallen k?nnen sich Elektronen praktisch beliebig schnell bewegen, nicht so in Glas, wo es eine physikalisch bedingte Geschwindigkeitsobergrenze gibt?, sagt Masafumi Ayata, Doktorand in Leutholts Gruppe und Erstautor der Studie. Im Experiment konnten die Forschenden Daten mit 116 Gigabit pro Sekunde ¨¹bertragen. Sie zeigen sich ¨¹berzeugt, dass mit Optimierungen sogar noch h?here Daten¨¹bertragungsraten m?glich sind.

Aus einer Goldschicht ge?tzt

Der getestete Modulator-Prototyp der ETH-Forschenden ist aus einer Goldschicht gefertigt, die auf einer Glasoberfl?che liegt. Wie die Wissenschaftler betonen, hat die Glasunterlage keine Funktion. ?Statt der Glasunterlagen k?nnen wir auch andere geeignete glatte Oberfl?che verwenden?, so Leuthold. Und statt des Goldes k?nne f¨¹r industrielle Anwendungen auch das g¨¹nstigere Kupfer verwendet werden. Zentral ist, dass es f¨¹r den neuen Modulator nur eine metallische Beschichtung braucht. ?Das macht die Herstellung sehr einfacher und g¨¹nstig?, sagt Leuthold.

Um den neuen Modulator in die Praxis zu bringen, arbeiten die Forschenden bereits mit einem Industriepartner zusammen, mit weiteren Partnern f¨¹hren sie Gespr?che. Bis zur Markreife sieht Leuthold allerdings noch Entwicklungspotenzial. So rechnet er damit, dass ein derzeitiger Verlust der Signalst?rke bei der Modulation noch reduziert werden kann.

F¨¹r Computer und autonome Fahrzeuge

Der neue Modulator k?nnte dereinst nicht nur im Telecom-Bereich zur Anwendung kommen, sondern auch in Computern. ?Die Computerindustrie denkt dar¨¹ber nach, Daten innerhalb von Rechnern zwischen den einzelnen Chips mit Glasfasern zu ¨¹bertragen?, sagt Leuthold. Dazu braucht es jedoch winzige Modulatoren ¨C solche, wie sie Leuthold mit seinem Team nun entwickelt hat.

Schliesslich w?re es auch denkbar, die Modulatoren in Bildschirmen ¨C auch biegbaren ¨C einzusetzen sowie in optischen Sensoren. Ein Beispiel hierf¨¹r w?ren Lidar-Systeme zur Distanzmessung, welche bei (teil-) autonomen Fahrzeugen verwendet werden.