Um die elektrischen Signale zu beschleunigen, enthält die photonische Schicht (rot) einen Intensitätsmodulator; die elektronische Schicht (blau) multiplext vier Eingangssignale zu einem Hochgeschwindigkeitssignal.

Um die elektrischen Signale zu beschleunigen, enthält die photonische Schicht (rot) einen Intensitätsmodulator; die elektronische Schicht (blau) multiplext vier Eingangssignale zu einem Hochgeschwindigkeitssignal. (Bild: IEF/Springer Nature)

| von Gunnar Knuepffer

Seit 20 Jahren wird daran geforscht, jetzt haben Forschende der ETH Zürich im Rahmen europäischer Horizon-2020-Projekte im Labor einen Chip gebaut, auf dem sich schnelle elektronische Signale direkt in Lichtsignale umwandeln lassen. Dabei soll praktisch keine Signalqualität verloren gehen. Besondere Bedeutung bekommt diese Entwicklung beim Einsatz in Glasfasernetzen. Gründe dafür sind eine steigende Nachfrage nach Online-Diensten für Streaming, Speicherung und Rechenleistungen. Heute erzielen optische Netze Datentransportraten im Bereich von Gbit/s, zukünftig sind Tbit/s notwendig.

Eine Möglichkeit, diese Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen, ist das Zusammenführen von elektronischen und photonischen Bauelementen auf einem einzigen Chip. Genau dies haben die ETH-Forschenden nun geschafft: Zusammen mit Partnern in Deutschland, den USA, Israel und Griechenland konnten sie im Experiment die elektronischen und lichtbasierten Bauelemente zum ersten Mal auf ein und demselben Chip zusammenfügen. Technisch ist dieser Schritt groß, denn bis heute ist es notwendig, diese Bauelemente getrennt voneinander auf je einem Chip herzustellen und miteinander zu verdrahten. Bei der Übertragung über getrennte Chips geht Signalqualität verloren, was auch die Geschwindigkeit der Datenübertragung mit Licht begrenzt. Der Lösungsansatz beginnt daher am Modulator, der elektrische Signale in Lichtwellen wandelt. Um dabei die Qualitäts-​ und Intensitätsverluste zu vermeiden und das Licht beziehungsweise die Daten schneller als heute zu übertragen, muss der Modulator möglichst kompakt gebaut sein.

Erstmalige monolithische Co-Integration

Die Kompaktheit des Modulators wird erreicht, indem die elektronischen und photonischen Komponenten in zwei Schichten dicht übereinander angeordnet und direkt auf dem Chip mittels On-Chip-Vias miteinander verbunden sind.

Gescheitert ist der monolithische Ansatz bisher daran, dass die Photonik-Chips viel größer sind als die elektronischen. Die Größe der Chips hat es unmöglich gemacht, die Chips mittels CMOS-Technologie zusammenzuführen; nun ist es jedoch möglich, dass die Photonik-Chips kleiner sind als ihre elektronischen Pendants. Um die elektrischen Signale in noch schnellere optische zu wandeln, enthält die photonische Schicht (rot in der Grafik) einen plasmonischen Intensitätsmodulator. Dieser beruht auf Metallstrukturen, die das Licht so kanalisieren, dass höhere Geschwindigkeiten erzielbar sind.

In der elektronischen Schicht (blau in der Grafik) wird die Geschwindigkeit zusätzlich erhöht. Mit einem 4:1-​Multiplexverfahren werden vier Eingangssignale mit niedrigerer Geschwindigkeit so gebündelt und verstärkt, dass sie zusammen ein elektrisches Hochgeschwindigkeitssignal bilden. Dieses wird dann in ein optisches Hochgeschwindigkeitssignal umgewandelt. Auf diese Weise war es zum ersten Mal möglich, Daten mit mehr als 100 Gbit/s auf einem monolithischen Chip zu übertragen.

Um diese Rekordgeschwindigkeit zu erreichen, kombinierten die Forscher die Plasmonik nicht nur mit klassischer CMOS-​Elektronik, sondern auch mit der noch schnelleren BiCMOS-​Technologie. Außerdem verwendeten sie ein neues temperaturstabiles, elektrooptisches Material der University of Washington sowie Erkenntnisse aus den Horizon-2020-​Projekten PLASMOfab und PlaCMOS. Im Experiment ließ sich zeigen, dass diese Technologien in einem schnellen, kompakten Chip für optische Kommunikationsnetze vereinbar sind.

(na)

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