Mit Quantenpunkt-Lasern gegen die Datenflut

Er soll preiswerter als herkömmliche Halbleiter-Laser sein, viermal mehr Daten als bisher möglich übertragen, in Rechenzentren Energiekosten sparen und längere Übertragungsdistanzen erreichen: Forscher der Uni Kassel arbeiten mit Partnern aus Frankreich und Dänemark an der Entwicklung eines neuartigen Quantenpunkt-Lasers auf Siliziumbasis. Im Rahmen eines mit 3,3 Millionen Euro von der EU geförderten Verbund-Forschungsprojekts baut das Team bis Ende 2016 zwei Demonstratoren bauen, die eine Datenmenge von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde in einer einzigen Glasfaser übertragen und Lichtwellen in größerer Bandbreite und exakter modulieren können.

Derzeit bewältigen die für den Datentransport in Rechenzentren eingesetzten Übertragungssysteme maximal 100 Gigabit pro Sekunde pro Glasfaser. Dieses Tempo hält mit der rasant wachsenden Datenflut im Internet nicht mit, und das erhöht die Kosten erheblich: Internetdienstleister schalten in ihren Rechenzentren viele Tausend Server mit riesigen Kabelsträngen in Racks zusammen, die so groß wie Fußballfelder sein können. Die an den Datenpunkten eingesetzte Elektronik – inklusive der Laser – benötigt viel elektrischen Strom. „Ein Rechenzentrum kann in Zukunft so viel verbrauchen wie ein halbes Atomkraftwerk“, sagt Projektleiter Johann Peter Reithmaier. Außerdem erzeugen diese Laser viel Wärme, das System muss also aufwendig gekühlt werden.

Die Forscher optimieren im Rahmen des Projekts nanotechnisch die Architektur der Halbleiterlaser, reduzieren ihren Energiebedarf sowie ihre Wärmeabstrahlung und ersetzen die sehr teuren Halbleitermaterialien wie beispielsweise Indiumphosphit weitgehend durch das vergleichsweise preiswerte Silizium. Halbleiterlaser funktionieren, indem sie elektrische Energie effizient in Licht umwandeln. Durch die Modulation von Bandbreite, Stärke und Länge der ausgestrahlten Lichtwellen lassen sich Daten in großer Menge übertragen. Diese Modulation wird im Wesentlichen durch eine besondere nanoskopische Struktur aus Halbleitermaterial gesteuert. Diese maximal 20 Nanometer großen Quantenpunkten fangen elektrische Ladungsträger und zwingen sie zur Lichtaussendung.

„Je mehr Quantenpunkte man erzeugt und je geringer die Größenabweichungen sind, desto größere Übertragungsgeschwindigkeiten und Modulationsbreiten erreicht man. In dem für die Langstreckenübertragung wichtigen Wellenlängenbereich von 1,5 Mikrometern sind wir momentan weltweit führend“, erklärt Reithmaier. Durch das Stapeln von wenige Nanometer dicken Schichten aus Halbleitermaterial erzielt das Forscherteam komplexe homogene Strukturen, die Milliarden unterschiedlich großer Quantenpunkte enthalten – und das auf einem nur wenige Quadratmillimeter großen Chipsatz. Die Verwendung von winzigen Siliziumscheiben statt eines teureren Halbleitermaterials als Substrat stellt die Forscher vor besondere Herausforderungen. Denn Silizium ist optisch „tot“. Reithmaier und seine Kollegen haben jedoch ein Verfahren entwickelt, bei dem das optisch aktivierbare Halbleitermaterial separat hergestellt und hauchdünn per „Molecular Bonding“ auf Silizium übertragen werden kann. Die Verbindungsfläche muss dabei völlig glatt sein: Die Unebenheiten müssen weniger als 0,5 Nanometer betragen. Dieses Problem wollen die Forscher im Rahmen des Projekts in den Griff bekommen.

UK / RK