Optoelektronischer Chip aus Metall

Optische Bauteile für die Mikro­elektronik müssen in Glas gefertigt werden. Metalle eignen sich dazu nicht, weil sich optische Infor­mation darin höchstens 100 Mikrometer weit ausbreiten kann. Dies war bis vor kurzem die gängige Auffassung von Wissens­chaftlern. Forscher unter der Leitung von Jürg Leuthold an der Tech­­nischen Hochschule Zürich machten nun das scheinbar Unmögliche möglich: Sie entwickelten ein licht­prozessierendes Bauelement aus Metall.

Dies gelang ihnen, indem sie das Element klein genug bauten. Nur drei Mikro­meter breit und 36 Mikro­meter lang liegt er in einem Größen­bereich, in dem sich optische und elek­trische Infor­mationen in Metallen ausbreiten können. Beim Bauteil handelt es sich um einen Modu­lator. Modu­latoren wandeln elek­trische Daten­signale in optische um. Sie sind in modernen Internet­routern für das Glasfaser­netz verbaut und ermögl­ichen Glasfaser-Daten­verbindungen zwischen Computer­einheiten in Rechenz­entren. Die heute standard­mäßig verwendeten Bauteile funk­tionieren jedoch grund­sätzlich anders als der neue Modulator.

Das Funktions­prinzip des neuen Bauteils: Licht aus einer Glasfaser wird auf den Modu­lator geleitet und versetzt die Elektronen auf dessen Ober­fläche in eine Plasmon-Oszil­lation. Diese Schwingung lässt sich durch elek­trische Daten­pulse indirekt verändern. Wird die Schwingung der Elektronen wieder in Licht zurück­verwandelt, entsteht ein Lichtsignal, das ent­sprechend gepulst ist. Die Infor­mation wurde dabei von einem elek­trischen in einen optischen Daten­puls überführt und kann nun in Glasfasern trans­portiert werden.

Bereits vor zwei Jahren ent­wickelten Leuthold und seine Kollegen einen solchen plas­monischen Modu­lator. Es handelte sich damals um den kleinsten und schnellsten je gebauten Modu­lator. Damals waren auf dem Halbleiter­chip allerdings noch diverse Kompo­nenten aus Glas mit­verbaut. Indem die Wissen­schaftler nun alle Glas­komponenten durch metal­lische ersetzen, schafften sie es, einen noch kleineren Modu­lator zu bauen, der bei einer noch höheren Geschwin­digkeit arbeitet. „In Metallen können sich Elektronen praktisch beliebig schnell bewegen, nicht so in Glas, wo es eine physi­kalisch bedingte Geschwin­digkeits­obergrenze gibt“, sagt Masafumi Ayata, Doktorand in Leutholts Gruppe. Im Experi­ment konnten die Forscher Daten mit 116 Gigabit pro Sekunde über­tragen. Sie zeigen sich überzeugt, dass mit Opti­mierungen sogar noch höhere Datenüber­tragungsraten möglich sind.

Der getestete Modulator-Prototyp ist aus einer Gold­schicht gefertigt, die auf einer Glasober­fläche liegt. Wie die Wissen­schaftler betonen, hat die Glas­unterlage keine Funktion. „Statt der Glasunter­lagen können wir auch andere geeignete glatte Ober­fläche verwenden“, so Leuthold. Und statt des Goldes könne für indus­trielle Anwen­dungen auch das güns­tigere Kupfer verwendet werden. Zentral ist, dass es für den neuen Modu­lator nur eine metal­lische Beschichtung braucht. „Das macht die Herstellung sehr einfacher und günstig“, sagt Leuthold.

Um den neuen Modulator in die Praxis zu bringen, arbeiten die Forscher bereits mit einem Industrie­partner zusammen, mit weiteren Partnern führen sie Gespräche. Bis zur Markreife sieht Leuthold allerdings noch Entwicklungs­potenzial. So rechnet er damit, dass ein der­zeitiger Verlust der Signal­stärke bei der Modu­lation noch redu­ziert werden kann. Der neue Modulator könnte dereinst nicht nur im Telekom-Bereich zur Anwendung kommen, sondern auch in Computern.

„Die Computer­industrie denkt darüber nach, Daten inner­halb von Rechnern zwischen den einzelnen Chips mit Glas­fasern zu über­tragen“, sagt Leuthold. Dazu braucht es jedoch winzige Modu­latoren. Schließlich wäre es auch denkbar, die Modu­latoren in Bild­schirmen – auch biegbaren – einzusetzen sowie in optischen Sensoren. Ein Beispiel hierfür wären Lidar-Systeme zur Distanz­messung, welche bei autonomen Fahr­zeugen verwendet werden.

ETHZ / JOL