Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltrekord bei der photonischen Integration in Silizium

01.07.2013
Mehr Energieeffizienz in der Datenübertragung

Forschern des Instituts für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) der Universität Stuttgart und des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) gelang ein Weltrekord bei der energieeffizienten photonischen Integration in Silizium. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Eindämmung des Energieverbrauchs bei der Datenübertragung im Internet und in der Telekommunikation.


Mikroskop-Bild eines gefertigten Chips in Silizium und auf Gitterstrukturen angebrachter Glasfasern für die Ein- und Auskopplung des Lichts. (Foto: Universität Stuttgart/IMS)

Die Wissenschaftler arbeiteten mit optimierten aperiodischen Gitterstrukturen im Nanometerbereich mit einem neu entwickelten Rückseitenspiegel. Dadurch konnte in der Koppeleffizienz für Licht aus der Standardglasfaser in integrierte photonische Wellenleiter auf Siliziumscheiben ein Rekordwert von 87 Prozent erreicht werden.

Internet und Telekommunikation basieren auf einem optischen Kernnetz, das mit vergrabenen Glasfasern die Städte weltweit verbindet. Diese können mit sehr geringen Dämpfungen das Licht über weite Strecken übertragen. Nach einer Studie der Firma CISCO wird sich alleine der mobile Datenverkehr (Smartphones), der Ende 2012 bei 885 Petabytes pro Monat lag, bis 2017 auf über zehn Exabytes pro Monat steigern. Damit der Energieverbrauch unserer Kommunikationssysteme nicht im gleichen Maße steigt, sind energieeffizientere Übertragungssysteme ein hochaktuelles Forschungsthema.

Die Wissenschaftler des INT und des IMS haben ein zum Patent angemeldetes Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem komplexe optische Sende- und Empfangsstrukturen auf Siliziumscheiben integriert werden können. Bisherige optische Sender und Empfänger basieren auf Indiumphosphidsubstraten, die nur mit kleinen Durchmessern und zu hohen Kosten verfügbar sind. Die Fachwelt rechnet damit, dass im Heimcomputer des Jahres 2020 optische Verbindungen notwendig sind, um die großen Datenmengen zwischen den einzelnen Bausteinen des Rechners auszutauschen. Das verwendete Licht mit einer Frequenz von circa 192 Terahertz bietet mit Bandbreiten von vielen Terahertz Übertragungsraten von etlichen Terabit/s. Forscher in aller Welt versuchen daher, mit neuen Komponenten diese enormen Datenraten in kommerziellen Produkten verfügbar zu machen. Da Silizium bei dieser Lichtfrequenz transparent ist, bietet es sich auch als Wellenleitermaterial an. In zukünftigen Rechnerbausteinen könnte daher das Rechnen in nanoelektronischen Schaltungen und die Datenübertragung mit Photonen erfolgen.

Hierzu muss das Licht mit großer Effizienz in den Siliziumwellenleitern geführt und dann von einem Baustein zum Nächsten über Lichtwellenleiter übertragen werden. Die dabei entstehenden Energieverluste sollten so gering wie möglich sein. Den Forschern an der Universität Stuttgart ist mit den neu entwickelten aperiodischen Gitterstrukturen mit dem Herstellungsprozess von IMS CHIPS ein Weltrekord in der Kopplung des Lichts aus der Glasfaser in die Siliziumwellenleiter gelungen. Weltweit ist mit dem Kopplungsgrad von 87 Prozent und einer Breitbandigkeit von circa 40 Nanometer nun die Integration optischer Sender und Empfänger auf Silizium einen großen Schritt vorangekommen.

Bei weiteren Anwendungen erfolgreich
In diesem Herstellungsverfahren können auch weitere Bauteile wie zum Beispiel Polarisationssplitter mit den Gitterkopplern kombiniert werden. Auch für diese Anwendung erzielten die Stuttgarter Forscher einen neuen Weltrekord im Wirkungsgrad. Damit sind die Universität Stuttgart und IMS CHIPS nun weltweit führend bei der Integration optischer Komponenten auf Siliziumsubstraten. Diese Forschungsarbeiten sollen nun in Zusammenarbeit mit der Industrie fortgeführt werden, um komplexe Sender und Empfänger auf Silizium zu realisieren, die zu geringen Kosten Datenübertragungen für Datenraten jenseits von 1 Terabit/s ermöglichen.

Die Ergebnisse werden im September auf der Europäischen Tagung für Optische Komponenten (ECOC) in London veröffentlicht (http://www.ecoc2013.org/) . Die Polarisationssplitter sind in den IEEE Photonics Technology Letters publiziert worden: W. Sfar Zaoui, A. Kunze, W. Vogel, M. Berroth, „CMOS-compatible polarization splitting grating couplers with a backside metal mirror“, 10.1109/LPT.2013.2266132
Weitere Informationen:
Prof. Manfred Berroth, Wissem Sfar Zaoui, Universität Stuttgart, Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT), Tel. 0711/685-67922, -67892, E-Mail: berroth (at) int.uni-stuttgart.de, wissem.sfarzaoui (at) int.uni-stuttgart.de

Prof. Joachim Burghartz, Dr. Jörg Butschke und Dr. Florian Letzkus, Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS), Tel: 0711/21855-200, -453, -451,
E-Mail: burghartz (at) ims-chips.de, butschke (at) ims-chips.de, letzkus@ims-chips.de

Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de

INT
Das Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) gehört zur Fakultät „Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik“ der Universität Stuttgart. Unter der Leitung von Prof. Manfred Berroth beschäftigt das INT zurzeit 22 Mitarbeiter, die in Forschung, Lehre und Verwaltung arbeiten. Die Kernkompetenzen des Instituts liegen in der Modellierung, im Entwurf sowie in der Messtechnik, wobei sich die Forschungsarbeiten auf integrierte Schaltungen, integrierte photonische Komponenten und effiziente Leistungsverstärker konzentrieren. Das Institut ist auch Mitglied im Stuttgart Research Center of Photonic Engineering (SCoPE), einem Verbund von Instituten aus der Elektrotechnik, dem Maschinenbau und der Physik, der die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Naturwissenschaftlern und Ingenieuren an der Universität Stuttgart fördert.

IMS CHIPS
Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ist eine Stiftung des bürgerlichen Rechts im Land Baden-Württemberg. Es führt industrienahe Forschung und Entwicklung in den Bereichen Siliziumtechnologie, Anwender-spezifische Schaltkreise (ASIC), Nanostrukturierung, Bildsensorik und Bildung durch. Das Institut bietet hierfür ganzheitliche Lösungen für KMU an, ist Partner von nationalen und internationalen Großunternehmen an vorderster Front der Technologieentwicklung und engagiert sich als Technologietreiber auf ausgewählten Gebieten. Unter der Leitung von Prof. Joachim Burghartz setzen sich 80 hochqualifizierte Mitarbeiter für die Entwicklung neuartiger Produkte der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und deren Umsetzung in die Fertigung ein.

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Graduiertenschule HyPerCells entwickelt hocheffiziente Perowskit- Dünnschichtsolarzelle
17.08.2017 | Universität Potsdam

nachricht Lasersensoren LAH-G1 – Optische Abstandssensoren mit Messwertanzeige
15.08.2017 | WayCon Positionsmesstechnik 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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie