Leistungssprung durch weltweit kleinsten Hochgeschwindigkeits-Modulator

Einem Team aus der TU Berlin ist es in Zusammenarbeit mit dem IHP-Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik in Frankfurt/Oder jetzt gelungen, durch ein innovatives Design den bisher weltweit kleinsten Hochgeschwindigkeits-Modulator mit einer Länge von weniger als 10 µm für photonisch-integrierte Schaltkreise zu entwickeln. Bei gleichzeitig hohen Modulationsgeschwindigkeiten von bis zu 25 Gigabaud besitzt er eine sehr hohe Temperaturstabilität und einen äußerst geringen Energieverbrauch von nur 200 Femtojoule/Bit. Modulatoren sind in der Nachrichtentechnik zur Übertragung von Informationen im Einsatz.

Die Bauelemente basieren auf der Technologie der Silizium-Photonik, mit der Forscher eine Plattform miniaturisierter integrierter Bauelemente entwickeln und diese zu funktionalen Baugruppen aus komplexen photonischen Schaltkreisen auf einem Chip zusammenfügen. Die Fertigung dieser „optischen“ Chips erfolgt durch das Leibniz-Institut, mit dem die TU Berlin eine langjährige Kooperation verbindet; insbesondere im Rahmen des Joint Lab „Silicon Photonics“.

Die Bewältigung des weltweit stark zunehmenden Datenverkehrs stellt für unsere Gesellschaft eine zentrale Herausforderung dar. Daher sind neue innovative Hardwarekonzepte nötig, um höhere Übertragungskapazitäten für den steigenden Bedarf an Bandbreite zur Verfügung stellen zu können. Da die „konventionelle“ Kommunikationstechnologie auf Basis von Kupferleitungen an ihre physikalischen Grenzen stößt, werden heute in zunehmendem Maße schnelle, energieeffiziente optische Übertragungssysteme eingesetzt. Für die Mittel- bis Langstreckenkommunikation (>2 km) mit hohen Datenkapazitäten, zum Beispiel bei Internet Backbones, werden bereits heute ausschließlich optische Faser-basierte Systeme verwendet. Zudem dringen optische Systeme auch immer mehr in die Kurzstrecken-Bereiche ein, wie man sie bei der Datenzentren- und Computerperipherie-Kommunikation vorfindet.

Es sind jedoch extrem kostengünstige Lösungen zur Etablierung optischer Systeme in diesen Massenmärkten erforderlich, die aufgrund der hohen Komplexität und aufwändigen Fertigungstechnik heutiger optischer Übertragungstechnologien nicht realisierbar sind. Der aussichtsreichste Lösungsansatz dieses Problems liegt in der Entwicklung einer neuartigen hochintegrierten Hardware auf Basis der Silizium-Photonik, welche in den vergangenen Jahren enorme technologische Fortschritte gemacht und weltweit stark an Bedeutung gewonnen hat.

Silizium, das Basismaterial der Informationstechnologie, ist für Laserlicht im infraroten Spektralbereich transparent. Dieses Licht kann in sogenannten Nano-Wellenleitern, ähnlich wie elektrischer Strom in Metalldrähten, auf engem Raum geführt und um Kurven mit Radien von 5 µm geleitet werden. Mit Hilfe elektro-optischer Effekte kann nun das in Silizium geführte Licht manipuliert werden, so durch An- und Ausschalten, Verstärkung oder durch Filter- und Steuerungsfunktionen. Weiterhin ist es möglich, sowohl die photonischen als auch die mikroelektronischen Funktionen gemeinsam auf einem einzigen Chip auf engstem Raum zu integrieren. Die Herstellung dieser Chips erfolgt dabei mit der für die elektronischen Schaltkreise optimierten und etablierten Produktionslinien (CMOS). Sowohl bei der Chip-Herstellung als auch beim Packaging kann dabei auf das umfangreiche Know-how aus der hochentwickelten Mikroelektronik zurückgegriffen werden. In Analogie zur Halbleitertechnologie können auf diese Weise komplexe Module in großen Volumina bei gleichzeitig niedrigen Stückkosten hergestellt werden.

Die Herausforderung bleibt jedoch die effiziente Zusammenführung der Basiselemente zu einem leistungsstarken marktfähigen Produkt. Insbesondere die Modulator-Einheit stellt sich dabei als technisch besonders anspruchsvoll dar. Hier gilt es, eine effiziente Kombination aus Laserquelle, elektro-optischem Modulator und Treiberelektronik zu entwickeln. Bisher konnte für dieses Modul keine optimale Lösung aufgezeigt werden, welche gleichzeitig alle Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit, Baugröße, Zuverlässigkeit und den Energieverbrauch für die Implementierung in einen optischen Transceiver, der als Schnittstelle zwischen optischer und elektrischer Übertragungsstrecke fungiert, erfüllt. Eine Kooperation vom Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin und dem Leibniz-Institut IHP konnte nun mit dem Hochgeschwindigkeits-Modulator eine neuartige Lösung entwickeln.

Als Kernstück besitzt das Modulator-Design einen optischen Resonator mit Spiegeln aus eindimensionalen photonischen Kristallen. In Kombination mit einer besonders kleinen und effizienten elektrischen Diode kann die Lichttransmission durch den Modulator mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden. Dieser Leistungssprung wurde erst möglich durch die gezielte Verknüpfung der elektrischen und optischen Eigenschaften des Modulators.

In dem seit September diesen Jahres vom Bundesforschungsministerium mit insgesamt 1,6 Millionen Euro geförderten Forschungsprojekt „Silimod“ wird das Team um die Physiker Stefan Meister, Christoph Theiss und Hanjo Rhee von der TU Berlin zusammen mit den Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts um Lars Zimmermann dieses innovative Modulator-Bauelement zu einem marktfähigen Demonstrator weiterentwickeln. Betreut wird das Projekt von Ulrike Woggon und Hans Eichler im Rahmen der VIP-Fördermaßnahme (Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung) über einen Zeitraum von drei Jahren. Dieses Programm soll entscheidend dazu beitragen, das Potenzial neuer Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschung für eine nachfolgende wirtschaftliche Verwertung auszuschöpfen und damit die Voraussetzung für eine erfolgreiche Weiterentwicklung zu innovativen Produkten zu schaffen. Bei erfolgreicher Validierung wird ein zentrales Bauelement für Photonisch-Integrierte-Schaltkreise zur Verfügung stehen, mit denen sich die Netzwerke der nächsten Generation realisieren lassen.

TUB / OD