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Graphen ermöglicht schnelle und kompakte optische Modulatoren für die Kommunikations- und Rechentechnik.

Zur Datenübertragung über lange Strecken, wie auch bald zwischen einzelnen Chips, werden heute optische Signale verwendet, in denen die Informationen durch Modulation der Lichtintensität kodiert werden. Das Vermögen, Licht schneller an und aus zu schalten sorgt somit für eine Möglichkeit zur Steigerung der Datenrate. Wissenschaftlern der Universität von Kalifornien in Berkeley gelang es nun, einen sowohl sehr kleinen als auch schnellen optischen Modulator auf Basis von Kohlenstoffschichten atomarer Dicke (Graphen) zu bauen.

Den Forschern zufolge ermöglichen die sehr kompakten Modulatoren eventuell Geschwindigkeiten, die die heute üblichen um das Zehnfache übersteigen. Dazu beeinflussten sie die optischen Eigenschaften des Graphens elektrisch, so dass es Licht optischer Wellenlängen absorbiert. Bei negativen Spannungen werden die Elektronen gewissermaßen aus dem Material gezogen, so dass sie dem Licht nicht weiter hinderlich sein können – das Licht wird in Transmission angeschaltet. Bei positiven Spannungen sind die Elektronen so dicht gepackt, dass auch da keine Absorption stattfindet. Dazwischen jedoch, bei einer bestimmten Spannung, absorbiert Graphen das Licht und schaltet es damit aus.

Die Kohlenstoffschichten lassen sich mit den üblichen Siliziummaterialien kombinieren. Auf einen Wellenleiter aus Silizium aufgebracht sorgte das Graphen für die Absorption des Lichtes im Leiter. Dabei konnten Modulationsfrequenzen von 1 GHz erreicht werden und die Forscher rechnen damit, dass sich diese Größe auf bis zu 500 GHz erhöhen lässt. Zudem erlaubte diese Konstruktion eine vergleichsweise kleine Bauweise – nur ca. 25 Quadratmikrometer nahm das Bauteil ein. Ein weiterer Vorteil des graphenbasierten Modulators: Im Gegensatz zu gängigen Bauteilen geringer Bandbreite kann Licht über das gesamte Spektrum – vom Infraroten bis zum Ultravioletten – kontrolliert werden.

Konrad Kieling