Billige Optoelektronik

Physik Journal - Ein Siliziummodulator erreicht dieselbe Leistung wie seine Pendants aus teuren Halbleitermaterialien.

Mit einem integrierten Photonikschaltkreis lassen sich kostengünstig Systeme für die optische Kommunikation oder für optische Verbindungen in Computern aufbauen. Der Traum der Halbleiterindustrie ist es, solche Komponenten aus Silizium zu fertigen, da dieses Material billig und in großen Mengen verarbeitbar ist. Eines der Schlüsselelemente auf dem Weg zu diesen Schaltkreisen sind optische Modulatoren, mit denen sich die binären Daten in einen Laserstrahl kodieren lassen. Kommerziell erhältliche Modulatoren bestehen aus Materialien, die in der Industrie als Exoten gelten – etwa Lithiumniobat oder III-V-Halbleiter. Nun ist es Forschern in Intels Photonics-Lab gelungen, einen Siliziummodulator zu entwickeln, der eine Geschwindigkeit von 40 Gigabit pro Sekunde (GBit/s) erreicht.

Abb.: Der neue Siliziummodulator (dünner Balken in der Mitte) sieht zwar recht unscheinbar aus, ist aber ein Meilenstein auf dem Weg zu schnellen optischen Verbindungen in Computern. (Quelle: Intel)

Dies war keine leichte Aufgabe, denn in kristallinem Silizium erfährt ein Lichtstrahl keine Doppelbrechung, wenn eine äußere elektrische Spannung angelegt wird (Pockels-Effekt). Steuerbare Phasenverschiebungen zwischen zwei Laserstrahlen, die bei Interferenz Nullen und Einsen erzeugen könnten, sind daher bei Silizium auf diesem Wege nicht zu erreichen. Stattdessen nutzen Intels Entwickler die Dispersionswirkung der freien Ladungsträger: Sie spalten den Laserstrahl auf und variieren den Brechungsindex des Siliziums, indem sie die Dichte der Elektronen und Löcher steuern. Die resultierende Phasenverschiebung liefert bei Interferenz der beiden Strahlen die gewünschten Nullen und Einsen.

Vor drei Jahren gelang es den Wissenschaftlern dadurch bereits, einen Siliziummodulator mit 1 GBit/s aufzubauen, ihre neueste Entwicklung ist nun nochmals 40 Mal schneller – und gleichzeitig ein Rekord für Silizium. Für Intel ist der Modulator ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu extrem schnellen optischen Verbindungen zwischen den Recheneinheiten eines Computers. 25 der neuen Modulatoren kombiniert ergäben eine Verbindung mit einer Geschwindigkeit von einem Terabit pro Sekunde. Außerdem ließen sich die nötigen Komponenten in Silizium- und CMOS-Prozessen fertigen. Bis entsprechende Produkte auf den Markt kommen, wird es aber wohl noch bis zum Ende dieses Jahrzehnts dauern.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, August/September 2007, S. 18