Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winziger Lichtschalter erleichtert Datenübertragung

20.12.2006
Wissenschaftler des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) haben ein neuartiges Schaltelement entwickelt, mit dem Lichtsignale gesteuert werden können. Das Bauteil ist kleiner als ein menschliches Haar.

Wissenschaftler des Berliner Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) haben ein optisches Schaltelement entwickelt, das auf einem neuen Steuerungskonzept beruht und dreihundertmal kleiner als vergleichbare Bauteile ist. Solche optischen Schaltelemente sind wichtig für die Datenübertragung per Licht. Je kleiner und leistungsfähiger sie sind, desto mehr Daten können umso schneller transportiert werden. Das neuartige Bauteil ist ein so genanntes akustisches Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das Lichtsignale moduliert. Die Wissenschaftler um Dr. Paulo Santos vom PDI berichten darüber in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters (Nr. 89, 121104).


Schematische Darstellung des neuen Schaltelements. Es misst nur 15 mal 15 Mikrometer. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Haars liegt bei 60 Mikrometern. Abb.: PDI

Der Modulator ist unvorstellbar winzig. Würde man ein Haar durchschneiden, so passten auf die Schnittfläche sechzehn der Bauteile. Der aktive Bereich, in dem die Modulation stattfindet, ist nur je 15 Mikrometer lang und breit. Doch es sind nicht allein die Abmessungen, die das Bauteil so besonders machen, sondern auch das Material und die Funktionsweise. Bisherige Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) werden hauptsächlich aus dielektrischem Material hergestellt, beispielsweise Lithiumniobat, und reagieren auf angelegte elektrische Spannungen. Die Neuentwicklung aus dem PDI dagegen wurde aus der Halbleiterverbindung Galliumarsenid (GaAs) hergestellt und benutzt so genannte akustische Oberflächenwellen, um das durch eine optische Faser eingebrachte Licht zu modulieren. Beide Neuerungen führen sowohl zur Steigerung der Effizienz als auch zur Erhöhung der Dichte von Bauelementen, die man auf einem Chip herstellen kann.

Den Hintergrund erklärt Dr. Paulo Santos, Arbeitsgruppenleiter am PDI: "Das Prinzip von Mach-Zehnder-Interferometern beruht auf Interferenz, also der Überlagerung von Lichtwellen", sagt der Physiker. Ein MZI teilt einen eingehenden Lichtstrahl, lenkt ihn in zwei Arme und führt den Strahl nach kurzer Distanz wieder zusammen. In bisherigen GaAs-Prototypen, die in wenigen Jahren auf den Markt kommen sollen, sind diese Arme einige Millimeter lang. Legt man nun eine elektrische Spannung an das Bauteil, so wird der optische Brechungsindex beeinflusst, das heißt, die Lichtgeschwindigkeit in einem der Arme ändert sich. Trifft bei der Zusammenführung der beiden Teilstrahlen (Lichtwellen) ein Wellenberg mit einem Wellental zusammen, so kommt es zur Auslöschung. "Das Problem dabei ist, dass die Effizienz gering ist", sagt Santos, "denn die dielektrischen Materialien reagieren nur schwach auf die angelegte Spannung."

... mehr zu:
»MZI »PDI

Auch bei einer Halbleiterverbindung wie Galliumarsenid bliebe das Problem, wollte man allein mit elektrischer Spannung steuern. Die Wissenschaftler am PDI umgehen die Schwierigkeit, indem sie in das Bauteil eine Art Mini-Schallquelle einbauen, die elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen umwandelt. Diese Schallwellen breiten sich auf dem Bauteil aus und beeinflussen den Brechungsindex. Durch eine geschickte Anordnung gelingt es, mit wenig akustischer Energie die Lichtgeschwindigkeit zu verändern.

Der Clou: Anders als etwa Lithiumniobat eignet sich Galliumarsenid hervorragend dazu, selbst Licht zu erzeugen; Halbleiter-Laserdioden sind Routine. Das MZI nach dem Prinzip des PDI könnte also auf einer winzigen Fläche Lichtquelle und Modulator vereinen und aus einem Stück gefertigt werden (monolithisch). Auf einen Chip von Daumennagelgröße würden mehrere Tausend Modulatoren passen. Die monolithische Bauweise von Lichtquelle und Modulator, die geringe Größe und der kleinere Energieverbrauch könnten Herstellungskosten senken und die Datenübertragungsraten in Netzwerken und auch in Rechnern selbst steigern: Rasantere Internetverbindungen und schnellere Rechner wären möglich.

Bevor es soweit ist, müssen noch einige technische Herausforderungen gemeistert werden, beispielsweise die Entwicklung effizienterer Prozesse zur Erzeugung von Oberflächenwellen. Auch die Übertragung des Konzeptes auf weitere Materialien wäre wünschenswert. Hierfür laufen Kooperationen mit anderen Forschergruppen, beispielsweise in den Niederlanden und in Dänemark. Zum einen wird Indiumphosphid verwendet, um das Prinzip mit Lichtquellen für den Wellenlängenbereich der Telekommunikation (um 1,5 Mikrometer) zu kombinieren. Dafür ist Galliumarsenid (um 0,9 Mikrometer) nicht geeignet. Zum anderen verspricht Silizium neue Möglichkeiten durch die Kombination optischer Elemente mit der hoch entwickelten und preiswert zu fertigenden Mikroelektronik.

Quellenhinweis: M. M. de Lima et al.: Compact Mach-Zehnder acousto-optic modulator. In: Applied Physics Letters 89, 121104 (2006).

Bei Rückfragen:

Dr. Paulo Santos, PDI: 030 / 2 03 77-221
santos@pdi-berlin.de

Josef Zens | idw
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de

Weitere Berichte zu: MZI PDI

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise