Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kleinster elektrooptischer Wandler der Welt

17.02.2014
Dank optischer Signale laufen Daten schnell um den Erdball.

Aber auch zwischen elektronischen Chips könnten digitale Informationen optisch schneller und energieeffizienter ausgetauscht werden. Dazu bedarf es jedoch einfacher Methoden, um von elektrischen zu optischen Signalen zu wechseln.


Auf eine Lichtwelle (o .li.) prägt der Wandler (gelb) aufgrund der angelegten Spannung digitale Bits auf (u. re.).So werden elektrische zu optischen Signalen.

Grafik: A. Melikyan/KIT

Im Fachmagazin Nature Photonics wurde nun ein Bauteil vorgestellt, das nur 29 Mikrometer lang ist und mit einer Rate von rund 40 Gigabit pro Sekunde Signale umwandelt. Damit ist er der kompakteste Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulator der Welt. DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.9

„Der Übergang vom elektrischen zum optischen Signal passiert immer näher am Prozessor“, sagt Jürg Leuthold, der die aktuelle Entwicklung am Karlsruher Institut für Technologie betreut hat und inzwischen an der ETH Zürich forscht. „Dadurch lassen sich Geschwindigkeitsvorteile erzielen, aber vor allem Leitungsverluste vermeiden. Dies wäre ein wichtiger Baustein, um den Energiebedarf der wachsenden Informationstechnologie zu dämpfen.“

Der elektrooptische Wandler besteht aus zwei parallelen Goldelektroden, die etwa 29 Mikrometer lang sind und durch einen etwa einen zehntel Mikrometer breiten Spalt getrennt sind. Der Aufbau ist also etwa so lang wie ein Drittel eines Haares breit ist und belegt Bruchteile der Querschnittsfläche eines Haares. An den Elektroden liegt eine Spannung an, die im Takt der digitalen Daten moduliert wird. Der Spalt ist mit einem elektro-optischen Kunststoff gefüllt, dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit von der Spannung verändert.

Zwei Wellenleiter aus Silizium führen das Licht zum Spalt bzw. von ihm weg. „Ein kontinuierlicher Lichtstrahl aus dem Leiter regt im Spalt elektromagnetische Oberflächenwellen, sogenannte Oberflächen-Plasmonen an“, erklärt Argishti Melikyan vom KIT, Erstautor der Veröffentlichung. „Durch die am Kunststoff anliegende Spannung werden die Oberflächenwellen moduliert. Nach Durchlaufen des Spalts treten diese als modulierter Lichtstrahl in den abführenden Lichtwellenleiter ein. In der Phase des Lichts sind dann die Datenbits codiert.“

In zahlreichen Tests wurde gezeigt, dass der elektrooptische Wandler verlässlich Datenströme mit rund 40 Gigabit pro Sekunde umsetzt. Er nutzt das auch im Breitbandglasfasernetz übliche Infrarotlicht mit der Wellenlänge von 1480-1600 Nanometer und zeigt auch bei Temperaturen bis 85 Grad Celsius keine Betriebsabweichung. Der vorgestellte Wandler ist der kleinste und kompakteste Hochgeschwindigkeits-Phasenmodulator der Welt. Zudem lässt er sich mit weitverbreiteten CMOS-Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen und damit leicht in aktuelle Chiparchitekturen integrieren. „Das Bauteil vereint viele positive Eigenschaften anderer Systeme, wie etwa eine hohe Modulationsgeschwindindigkeit, Kompaktheit und Energieeffizienz. Zukünftig könnten plasmonische Bauteile zur Signalverarbeitung im Terahertz-Bereich verwendet werden“, sagt Christian Koos vom Karlsruher Institut für Technologie, Sprecher der Helmholtz International Research School of Teratronics (HIRST), die sich am KIT mit der Fusion photonischer und elektronischer Verfahren zur ultraschnellen Signalverarbeitung befasst. „Plasmonische Wandler würden zu Hunderten auf einen Chip passen und Datenraten von einigen Terabit pro Sekunde ermöglichen.“

Derzeit werden in Deutschland rund 10 Prozent des Stromes durch Informations- und Kommunikationstechnologien verbraucht, etwa durch Computer und Smartphones beim Nutzer, aber auch durch die Server in großen Rechenzentren. Da der Datenverkehr exponentiell anwächst, bedarf es neuer Ansätze, die den Durchsatz steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch dämpfen. Plasmonische Bauteile könnten hier einen entscheidenden Beitrag liefern.

Der elektrooptische Wandler wurde im Rahmen des EU-Projekts NAVOLCHI, Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection, entwickelt. Ziel ist es, die Interaktion von Licht und Elektronen in Metalloberflächen auszunutzen, um neuartige Bauteile für die Datenübertragung zwischen Chips zu entwickeln. „Die elektrische Chip-zu-Chip-Datenübertragung stößt an ihre Grenzen“, sagt Projektleiter Manfred Kohl vom KIT. „NAVOLCHI schickt sich an diese mit optischen Technologien zu überwinden.“ Das Projekt wird im siebten Forschungs-Rahmenprogram der EU gefördert und verfügt über ein Budget von 3,4 Millionen Euro.

Weitere Informationen zum Projekt NAVOLCHI: http://www.imt.kit.edu/projects/navolchi/

High-speed plasmonic phase modulators, A. Melikyan, L. Alloatti, A. Muslija, D. Hillerkuss, P. C. Schindler, J. Li, R. Palmer, D. Korn, S. Muehlbrandt, D. Van Thourhout, B. Chen, R. Dinu, M. Sommer, C. Koos, M. Kohl, W. Freude and J. Leuthold, nature photonics AOP, DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.9

http://www.nature.com/nphoton/index.html

Weiterer Kontakt:
Kosta Schinarakis, PKM – Themenscout, Tel.: +49 721 608 41956, Fax: +49 721 608 43658, E-Mail: schinarakis@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Monika Landgraf | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/nphoton/index.html
http://www.imt.kit.edu/projects/navolchi/
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Ein leistungsfähiges Lasersystem für anspruchsvolle Experimente in der Attosekunden-Forschung
19.07.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Solarenergie unterstützt Industrieprozesse
17.07.2017 | FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten