Bisher kleinster optischer Modulator entwickelt

Einem Team der Technischen Universität Berlin ist es in Zusammenarbeit mit dem IHP-Leibniz-Institut aus Frankfurt (Oder) gelungen, den bisher weltweit kleinsten Hochgeschwindigkeit-Modulator zu entwickeln. Dieser hat eine Länge von weniger als 10 Mikrometer und ist für den Einsatz in photonisch-integrierten Schaltkreise bestimmt. Bei gleichzeitig hohen Modulationsgeschwindigkeiten von bis zu 25 Gigabaud besitzt er eine sehr hohe Temperaturstabilität und einen relativ geringen Energieverbrauch.

Die Bauelemente basieren auf der Technologie der Silizium-Photonik, mit der Forscher eine Plattform miniaturisierter integrierter Bauelemente entwickeln und diese zu funktionalen Baugruppen aus komplexen photonischen Schaltkreisen auf einem Chip zusammenfügen. Die Fertigung dieser "optischen" Chips wird von verschiedenen Forschungseinrichtungen und Unternehmen verfolgt, da sie eine deutlich höhere Geschwindigkeit bei der internen Informations-Weiterleitung aufweisen, als herkömmliche Architekturen mit stromleitenden Bahnen.

Die Bewältigung des weltweit stark zunehmenden Datenverkehrs stellt für unsere Gesellschaft schließlich eine zentrale Herausforderung dar. Daher sind neue innovative Hardwarekonzepte nötig, um höhere Übertragungskapazitäten für den steigenden Bedarf an Bandbreite zur Verfügung stellen zu können. Für die Mittel- bis Langstreckenkommunikation mit hohen Datenkapazitäten werden bereits ausschließlich optische Faser-basierte Systeme verwendet.

Es sind jedoch sehr kostengünstige Lösungen zur Etablierung optischer Systeme in den Massenmärkten für kurze Distanzen erforderlich, die aufgrund der hohen Komplexität und aufwändigen Fertigungstechnik heutiger optischer Übertragungstechnologien nicht realisierbar sind. Der aussichtsreichste Lösungsansatz dieses Problems liegt in der Entwicklung einer neuartigen hochintegrierten Hardware auf Basis der Silizium-Photonik, welche in den vergangenen Jahren enorme technologische Fortschritte gemacht und weltweit stark an Bedeutung gewonnen hat.

Silizium ist für Laserlicht im infraroten Spektralbereich transparent. Dieses Licht kann in sogenannten Nano-Wellenleitern, ähnlich wie elektrischer Strom in Metalldrähten, auf engem Raum geführt und um Kurven mit Radien von 5 Mikrometern geleitet werden. Weiterhin ist es möglich, sowohl die photonischen als auch die mikroelektronischen Funktionen gemeinsam auf einem einzigen Chip auf engstem Raum zu integrieren. Die Herstellung dieser Chips erfolgt dabei mit der für die elektronischen Schaltkreise optimierten und etablierten Produktionslinien.

Die Herausforderung bleibt jedoch die effiziente Zusammenführung der Basiselemente zu einem leistungsstarken marktfähigen Produkt. Insbesondere die Modulator-Einheit stellt sich dabei als technisch besonders anspruchsvoll dar. Hier konnte nun mit dem Hochgeschwindigkeit-Modulator eine neuartige Lösung entwickelt werden.

Als Kernstück besitzt das Modulator-Design einen optischen Resonator mit Spiegeln aus photonischen Kristallen. In Kombination mit einer besonders kleinen und effizienten elektrischen Diode kann die Lichttransmission durch den Modulator mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden. Dieser Leistungssprung wurde erst möglich durch die gezielte Verknüpfung der elektrischen und optischen Eigenschaften des Modulators. Chip, Modulator Chip, Modulator
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