Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakompakter Photodetektor

27.07.2016

Der Datenverkehr wächst weltweit. Glasfaserkabel transportieren die Informationen mit Lichtgeschwindigkeit über weite Entfernungen. An ihrem Ziel müssen die optischen Signale jedoch in elektrische Signale gewandelt werden, um im Computer verarbeitet zu werden. Forscher am KIT haben einen neuartigen Photodetektor entwickelt, dessen geringer Platzbedarf neue Maßstäbe setzt: Das Bauteil weist eine Grundfläche von weniger als einem Millionstel Quadratmillimeter auf, ohne die Datenübertragungsrate zu beeinträchtigen, wie sie im Fachmagazin Optica nun berichten. (DOI: 10.1364/OPTICA.3.000741)

Die neuentwickelten Photodetektoren, die weltweit kleinsten Photodetektoren für die optische Datenübertragung, eröffnen die Möglichkeit, durch integrierte optische Schaltungen die Leistungsfähigkeit optischer Kommunikationssysteme erheblich zu steigern, denn sie lassen sich platzsparend in großen Stückzahlen auf optischen Chips integrieren. Experimentell haben die Forscher einen Datendurchsatz von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde erreicht.


Ein plasmonischer Detektor, der direkt an einen Silizium-Lichtwellenleiter angekoppelt ist und weniger als ein Mikrometer groß ist, wurde am KIT entwickelt.

Grafik: KIT

„Mit diesem Bauteil lässt sich der Inhalt einer kompletten DVD in einem Bruchteil einer Sekunde übertragen“, erläutert der Physiker Sascha Mühlbrandt vom KIT, der die Arbeiten am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Institut für Photonik und Quantenelektronik durchgeführt hat. Diese Geschwindigkeit könne sogar noch weiter erhöht werden.

„Es handelt sich um den bisher kleinsten Detektor, der diese Datenrate erreicht; er ist hundert Mal kleiner als ein konventioneller Photodetektor“, so Mühlbrandt. Den als PIPED (plasmonic internal photoemission detector) bezeichneten Hochgeschwindigkeits-Photodetektor stellt Mühlbrandt als Erstautor gemeinsam mit Kollegen des KIT und der ETH Zürich in der Fachpublikation Optica unter dem Titel „Silicon-Plasmonic Internal-Photoemission Detector for 40 Gbit/s Data Reception“ vor.

Ein besonderer Vorteil der verringerten Baugröße ist, dass der Photodetektor mit elektronischen Komponenten auf demselben CMOS-Chip integriert werden kann: „Die Einführung neuartiger plasmonischer Bauelemente für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Information zwischen elektronischen Chips im Rechner bietet technische Möglichkeiten, die die Vorteile elektronischer und optischer Bauelemente verbinden und dies bei vergleichbarer oder besserer Übertragungsgeschwindigkeit“, sagt Projektkoordinator Professor Manfred Kohl vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT.

Entwickelt wurde der Photodetektor im Zuge des Projekts NAVOLCHI (Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection). Das KIT wurde im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologien während der dreijährigen Projektlaufzeit mit rund 500.000 Euro gefördert.

Der leistungsstarke Photodetektor nutzt sogenannte Oberflächen-Plasmon-Polaritonen, hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen an metallisch-dielektrischen Grenzflächen, um Optik und Elektronik auf kleinstem Raum zu vereinen. „Diese neue Klasse der plasmonischen Wandler beruht auf dem Mechanismus, durch den der Photostrom erzeugt wird, nämlich der direkten Signalwandlung an metallischen Grenzflächen bei optischen Frequenzen.

Dieser Prozess ist bekannt als interne Photoemission“, sagt Mühlbrandt. Um die Absorption von Licht und dessen Umwandlung in elektrische Signale effizient zu gestalten, werden Ladungsträger an einem Titan-Silizium-Übergang erzeugt und an einem weiteren Gold-Silizium-Übergang aufgenommen. Die hohe Geschwindigkeit erreicht der Detektor durch seine spezielle Geometrie: Die beiden Metall-Silizium Übergänge sind weniger als 100 Milliardstel Meter voneinander entfernt.

Die Forscher sehen das PIPED-Konzept nicht nur als wesentlich für zukünftige optische Datenübertragungssysteme an, sondern auch als Schlüsselkomponente für die drahtlose Datenübertragung. „Der neuartige Ansatz zur Detektion optischer Signale macht es möglich, elektromagnetische Signale mit Bandbreiten im Terahertz-Bereich zu erzeugen und zu detektieren“, sagt Professor Christian Koos vom KIT, 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 Bauteile könnten in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation Verwendung finden und dort Übertragungsraten bis zu 1 Terabit pro Sekunde möglich machen.“ Gefördert und unterstützt wurde die Forschung an PIPED auch durch den ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats EnTeraPIC, durch die am KIT angesiedelte Helmholtz International Research School for Teratronics (HIRST), an der die Disziplinen Physik, Elektrotechnik, Informatik und Maschinenbau zusammenarbeiten, sowie durch die Hochtechnologieplattform „Karlsruhe Nano-Micro-Facility“ (KNMF) am KIT.

S. Mühlbrandt, A. Melikyan, T. Harter, K. Köhnle, A. Muslija, P. Vincze, S. Wolf, P. Jakobs, Y. Fedoryshyn, W. Freude, J. Leuthold, C. Koos, M. Kohl: Silicon-Plasmonic Internal-Photoemission Detector for 40 Gbit/s Data Reception. Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.3.000741,
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-7-741

Information zu NAVOLCHI:
http://www.imt.kit.edu/projects/navolchi/

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) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation zu einer Mission. Mit rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 25 000 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Das KIT ist seit 2010 als familiengerechte Hochschule zertifiziert.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: www.kit.edu

Weitere Informationen:

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-7-741
http://www.imt.kit.edu/projects/navolchi/

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten
22.08.2017 | Fraunhofer IPM

nachricht Kieler Wissenschaft entwickelt exzellentes Forschungsdatenmanagement
21.08.2017 | ZBW – Leibniz-Informationszentrum Wirtschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie