Graphen für Computerchips
Lichtdetektoren aus Graphen lassen sich mit gewöhnlichen Halbleiterchips kombinieren.
Information wird heute meist in Form von Licht übertragen – etwa in Glasfaserkabeln. Unsere Computerchips allerdings arbeiten elektronisch. Irgendwo zwischen optischem Daten-Highway und elektronischem Computerchip müssen also mit Hilfe von Lichtdetektoren Photonen in Elektronen konvertiert werden. An der TU Wien ist es nun gelungen, einen Graphen-Photodetektor direkt mit einem herkömmlichen Siliziumchip zu kombinieren. Damit lässt sich Licht aus allen wichtigen Telekommunikations-Frequenzen in elektrische Signale umwandeln.
Abb.: Graphen besteht aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoff-Atomen und kann Licht in elektrischen Strom umwandeln. (Bild: TU Wien)
Sowohl Forschung als auch die Industrie setzen große Hoffnungen in Graphen. Das Material, das aus einer einzelnen Schicht von sechseckig angeordneten Kohlenstoff-Atomen besteht, hat ganz besondere Eigenschaften. Schon vor zwei Jahren erkannte das Team rund um Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien, dass sich Graphen bestens eignet, um aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen. „Es gibt viele Materialien, die Licht in elektrische Signale umwandeln können. Graphen erlaubt aber eine ganz besonders schnelle Konversion“, erklärt Müller. Bis zur tatsächlichen Verwendung von Graphen im Chip war es dennoch ein weiter Weg. Doch nun ist es dem Team zusammen mit Kollegen von der Johannes-Kepler-Universität Linz gelungen, einen Graphen-Photodetektor in einen Chip einzubauen.
Abb.: Durch einen dünnen Lichtwellenleiter (links) kommt das Signal, im etwa zwei Mikrometer schmalen Graphenstreifen (lila) entsteht dadurch elektrischer Strom. (Bild: TU Wien)
„Ein dünner Lichtwellenleiter mit einem Querschnitt von etwa 200 mal 500 Nanometern leitet das optische Signal auf dem Silizium-Chip zu einer Graphenschicht. Diese wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um, das dann direkt im Chip weiterverarbeitet werden kann“, erklärt Müller. Der Graphenphotodetektor ist nicht nur extrem schnell, er lässt sich auch extrem kompakt bauen. Auf einen Chip von einem Quadratzentimeter passen 20.000 solcher Detektoren.
„Wichtig sind solche Technologien nicht nur für die Übermittlung von Daten über weite Strecken. Auch innerhalb von Computern gewinnt optische Datenübertragung an Bedeutung“, sagt Müller. Wenn Großrechner mit vielen Prozessorkernen gleichzeitig arbeiten, muss viel Information zwischen diesen Kernen ausgetauscht werden. Wenn man mit Graphen ultraschnell zwischen elektrischem Strom und Licht wechseln kann, dann lassen sich diese Daten optisch übertagen. Das bringt mehr Geschwindigkeit und senkt den Energiebedarf.
TU Wien / AH
