Lichtquelle für schnellere Chips

Weltweit wachsende Datenmengen lassen die her­kömm­liche elek­tro­nische Verar­beitung an ihre Grenzen stoßen. Die Infor­mations­techno­logie der Zukunft setzt des­halb auf Licht als Medium für schnelle Daten­über­mitt­lung auch inner­halb von Computer­chips. Forscher unter Feder­führung des Karls­ruher Instituts für Techno­logie haben jetzt gezeigt, dass sich winzige Röhr­chen aus Kohlen­stoff als On-Chip-Licht­quelle für die Infor­mations­techno­logie von morgen eignen, wenn man nano­struk­tu­rierte Wellen­leiter nutzt, um passende Licht­eigen­schaften zu erhalten.

„Die Nanostrukturen wirken wie ein photo­nischer Kristall und erlauben es die Eigen­schaften des Lichts aus dem Röhrchen maß­zu­schneidern“, erklären Felix Pyatkov und Valentin Fütter­ling vom KIT. „So können wir sehr schmal­bandiges Licht in der gewünschten Farbe auf dem Chip erzeugen.“ In welcher Wellen­länge das Licht weiter­ge­leitet wird, ist durch die Bear­beitung des Wellen­leiters präzise defi­niert: Durch die Gravur mit Hilfe der Elek­tronen­strahl-Litho­grafie erhält der einige Mikro­meter lange Wellen­leiter feinste Hohl­räume von einigen Nano­metern Größe, die seine optischen Eigen­schaften bestimmen. Der so ent­standene photo­nische Kristall reflek­tiert das Licht in bestimmten Farben.

Als neuartige Lichtquellen werden Kohlen­stoff­nano­röhrchen von rund einem Mikro­meter Länge und einem Nano­meter Durch­messer quer zum Wellen­leiter auf Metall­kontakte posi­tio­niert. Am KIT wurde ein Prozess ent­wickelt, mit dem es möglich ist, die Nano­röhrchen gezielt in hoch­gradig komplexe Strukturen zu inte­grieren. Dabei nutzten die Forscher das Verfahren der Dielektro­phorese, um zu erreichen, dass sich die im Durch­messer etwa einen Nano­meter großen Kohlen­stoff­röhrchen aus einer Lösung abscheiden und senk­recht zum Wellen­leiter anordnen. Die direkt in den Wellen­leiter einge­brachten Kohlen­stoff­nano­röhrchen fungieren als winzige Licht­quelle, da sie Photonen erzeugen, wenn elek­trische Spannung ange­legt wird.

Der nun vorgestellte kompakte Strom-Licht-Signal­wandler erfüllt Anfor­derungen für die nächste Gene­ration von Computern, die elek­tro­nische Kompo­nenten mit nano­photo­nischen Wellen­leitern ver­binden. Der Signal­wandler bündelt das Licht fast so stark wie ein Laser und spricht mit hoher Geschwin­digkeit auf variable Signale an. Bereits jetzt lassen sich mit­hilfe der von den Forschern entwickelten opto-elek­tro­nischen Bau­elemente aus elek­trischen Signalen Licht­signale im Giga-Hertz-Frequenz­bereich erzeugen.

KIT / RK