Optischer Isolator geglückt

Ein Fortschritt für das Problem, Elektronik mit Licht zu verbinden, ist Forschern des California Institute of Technology gelungen. In der Zeitschrift „Science“ präsenteren sie eine photonische Halbleiter-Diode, die Licht nur in eine Richtung durchlässt. Das Teil könnte zum wichtigen Bauteil optischer Computer werden, die Daten schneller und billiger als bisher verarbeiten. „Der Weg zum optischen Computer ist noch weit, doch zumindest den dafür nötigen Isolator gibt es nun“, so Karl Unterrainer, Vorstand des Instituts für Photonik der TU Wien, gegenüber pressetext.

Lichtleiter statt Kupfer

Lichtimpulse sind in der Computertechnik längst im Einsatz, etwa im Glasfaserkabel. Für die Verarbeitung in Halbleitern müssen sie jedoch in elektrische Impulse umgewandelt werden, was den Datenfluss bremst. Photonik-Forscher tüfteln daher schon lange an Chipbauteilen, die Lichtimpulse aufnehmen und direkt verarbeiten. Ansätze zur Trennung dieser Impulse gibt es schon, allerdings mit Tücken: Magnete zur Lichtpolarisation sind ungesund, nichtlineare Materialien zur Frequenzänderung kaum mit Silizium zu kombinieren.

„Wir wollen den gesamten elektronischen Chip auf einem photonischen Chip reproduzieren“, erklärt Studienleiter Liang Feng die Zielvorgabe. Bisherige Silizium-Lichtwellenleiter scheiterten daran, dass sich Lichtsignale durch Reflexion und Überlagerung gegenseitig abschwächen. Fengs Wellenleiter ergänzt einen 800 mal 200 Nanometer-Siliziumbalken mit Rundteilen aus Germanium, Chrom und Silizium, die das Licht je nach Ausbreitungsrichtung in Schwingung versetzen. Signale passieren somit in eine Richtung und werden in die andere abgeschwächt.

Knacken der Terahertz-Grenze

Das Potenzial von künftigen Photonencomputern bezeichnet Unterrainer als „enorm“, vor allem was deren Geschwindigkeit betrifft. „Kupferleitungen bringen bei hohen Frequenzen große Verluste, weshalb heutige Motherboards nicht mehr als vier Gigahertz zulassen. Optische Computer könnten die Terahertz-Grenze knacken.“ Energieeffizienz sei ein weiterer Vorteil, da die Übermittlung von Lichtsignalen keinen Strom benötigt. In optische Chips lassen sich zudem auch Sensoren, Displays, Kameras oder Beamer integrieren.

Dennoch bleibt vieles weiterhin Zukunftsmusik, relativiert der Wiener Physiker. „Wichtig wäre, nicht nur die elektrischen Leitungen auf Chips durch Lichtleitungen zu ersetzen, sondern ganze Transistoren optisch zu gestalten.“ Auch die Größe stellt derzeit noch ein Problem für die Umsetzung dar – messen doch photonische Halbleiter ein Vielfaches der elektrischen Halbleiter, die bei rund zehn Nanometern rangieren.

Abstract des Originalartikels unter http://www.sciencemag.org/content/333/6043/729