Ein ultrakompakter Photodetektor

Glasfaserkabel transportieren Informationen mit Licht­g­eschwin­dig­keit über weite Ent­fer­nungen. Am Ziel müssen die optischen Signale in elek­trische Signale gewandelt werden. Forscher am Karls­ruher Institut für Techno­logie haben einen neu­artigen Photo­detektor entwickelt, dessen geringer Platz­bedarf neue Maß­stäbe setzt: Das Bau­teil weist eine Grund­fläche von weniger als einem Million­stel Quadrat­milli­meter auf, ohne die Daten­über­tragungs­rate zu beein­träch­tigen.

Diese weltweit kleinsten Photodetektoren für die optische Daten­über­tragung eröffnen die Mög­lich­keit, durch inte­grierte optische Schal­tungen die Leistungs­fähig­keit optischer Kommu­nika­tions­systeme erheb­lich zu steigern, denn sie lassen sich platz­sparend in großen Stück­zahlen auf optischen Chips inte­grieren. Experi­mentell haben die Forscher einen Daten­durch­satz von bis zu vierzig Giga­bit pro Sekunde erreicht. „Mit diesem Bau­teil lässt sich der Inhalt einer kom­pletten DVD in einem Bruch­teil einer Sekunde über­tragen“, erläutert Sascha Mühl­brandt vom KIT. Diese Geschwin­dig­keit könne sogar noch weiter erhöht werden.

Ein besonderer Vorteil der verringerten Baugröße ist, dass der Photo­detektor mit elek­tro­nischen Kompo­nenten auf dem­selben CMOS-Chip inte­griert werden kann. „Die Ein­führung neu­artiger plasmo­nischer Bau­elemente für die Hoch­geschwin­digkeits­über­tragung von Infor­mation zwischen elek­tro­nischen Chips im Rechner bietet tech­nische Mög­lich­keiten, die die Vor­teile elek­tro­nischer und optischer Bau­elemente ver­binden und das bei ver­gleich­barer oder besserer Über­tragungs­geschwin­dig­keit“, sagt Projekt­koordi­nator Manfred Kohl KIT.

Der leistungsstarke Photodetektor nutzt Oberflächen-Plasmon-Pola­ri­tonen, hoch­kon­zen­trierte elektro­magne­tische Wellen an metal­lisch-dielek­trischen Grenz­flächen, um Optik und Elek­tronik auf kleinstem Raum zu ver­einen. „Diese neue Klasse der plasmo­nischen Wandler beruht auf dem Mecha­nismus, durch den der Photo­strom erzeugt wird, nämlich der direkten Signal­wandlung an metal­lischen Grenz­flächen bei optischen Frequenzen. Dieser Prozess ist bekannt als interne Photo­emission“, sagt Mühl­brandt. Um die Ab­sorp­tion von Licht und dessen Um­wand­lung in elek­trische Signale effi­zient zu gestalten, werden Ladungs­träger an einem Titan-Silizium-Über­gang erzeugt und an einem weiteren Gold-Silizium-Über­gang aufge­nommen. Die hohe Geschwin­dig­keit erreicht der Detektor durch seine spezielle Geo­metrie: Die beiden Metall-Silizium-Über­gänge sind weniger als hundert Milli­ard­stel Meter von­ein­ander entfernt.

KIT / RK