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Zukunftsmaterial Graphen wird Computerchip-kompatibel

16.09.2013
An der TU Wien wird erforscht, welche technologischen Möglichkeiten Graphen bietet. Nun gelang es, Graphen-Lichtdetektoren mit gewöhnlichen Halbleiterchips zu kombinieren.

Information wird heute meist in Form von Licht übertragen – etwa in Glasfaserkabeln. Unsere Computerchips allerdings arbeiten elektronisch. Irgendwo zwischen optischem Daten-Highway und elektronischem Computerchip müssen also mit Hilfe von Licht-Detektoren Photonen in Elektronen konvertiert werden.


Durch einen dünnen Lichtwellenleiter (links) kommt das Signal, im etwa 2 Mikrometer schmalen Graphen-Streifen entsteht dadurch dann elektrischer Strom. TU Wien


Graphen - eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoff-Atomen - kann Licht in elektrischen Strom umwandeln. TU Wien

An der TU Wien ist es nun gelungen, einen Graphen-Photodetektor direkt mit einem herkömmlichen Silizium-Chip zu kombinieren. Damit lässt sich Licht aus allen wichtigen Telekommunikations-Frequenzen in elektrische Signale umwandeln. Die Forschungsergebnisse werden nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert.

Computer-Power aus Kohlenstoff?

Sowohl Forschung als auch die Industrie setzen große Hoffnungen in Graphen. Das Material, das aus einer einzelnen Schicht von sechseckig angeordneten Kohlenstoff-Atomen besteht, hat ganz besondere Eigenschaften. Schon vor zwei Jahren erkannte das Team rund um Thomas Müller am Institut für Photonik der TU Wien, dass sich Graphen bestens eignet, um aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen. „Es gibt viele Materialien, die Licht in elektrische Signale umwandeln können. Graphen erlaubt aber eine ganz besonders schnelle Konversion“, erklärt Thomas Müller. Will man also große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen, wird man in Zukunft wohl auf Graphen zurückgreifen.

Vom Beweis, dass sich das Material grundsätzlich dafür eignet bis zur Verwendung im Chip war es ein weiter Weg – doch nun ist es tatsächlich gelungen, einen Graphen-Photodetektor in einen Chip einzubauen. Neben dem Team der TU Wien war auch die Johannes Kepler Universität Linz an dem Projekt beteiligt.

„Ein dünner Lichtwellenleiter mit einem Querschnitt von etwa 200 mal 500 Nanometern leitet das optische Signal auf dem Silizium-Chip zu einer Graphen-Schicht. Diese wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um, das dann direkt im Chip weiterverarbeitet werden kann“, erklärt Thomas Müller.

Vielseitig und kompakt

Es gab bereits Versuche, Photodetektoren aus anderen Materialien – etwa Germanium – direkt in Chips zu integrieren. Allerdings können diese Materialien nur Licht eines engen Wellenlängenbereiches verarbeiten. Wie das Forschungsteam zeigen konnte, kommt Graphen mit allen Licht-Wellenlängen, die heute in der Datenübertragung verwendet werden, gleichermaßen zurecht.

Der Graphen-Photodetektor ist nicht nur extrem schnell, er kann auch extrem kompakt gebaut werden. Auf einem Chip von einem Quadratzentimeter lassen sich 20.000 solcher Detektoren unterbringen – damit könnte man den Chip theoretisch über 20.000 verschiedene Informationskanäle mit Daten versorgen.

Mehr Geschwindigkeit, weniger Stromverbrauch

„Wichtig sind solche Technologien nicht nur für die Übermittlung von Daten über weite Strecken. Auch innerhalb von Computern gewinnt optische Datenübertragung an Bedeutung“, erklärt Thomas Müller. Wenn Großrechner mit vielen Prozessorkernen gleichzeitig arbeiten, muss viel Information zwischen diesen Kernen ausgetauscht werden. Wenn man mit Graphen ultraschnell zwischen elektrischem Strom und Licht wechseln kann, dann lassen sich diese Daten optisch übertagen. Das bringt mehr Geschwindigkeit und senkt den Energiebedarf.

Rückfragehinweis:
Dr. Thomas Müller
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
Gusshausstraße 27-29
T: +43-1-58801-38739
thomas.mueller@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

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