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14 www markttechnik de Nr 29 2020 hingegen Übertragungsraten im Bereich von Terabit 1012 benötigt »Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden brauchen wir neue Lösungsansätze« sagt Jürg Leuthold ETH-Professor für Photonik und Kommunikation »Der Schlüssel zu diesem Paradigmenwechsel liegt in der Zusammenführung von elektronischen und photonischen Bauelementen auf einem einzigen Chip « Die Photonik untersucht optische Technologien zur Übertragung Speicherung und Verarbeitung von Information Genau diese Zusammenführung haben die ETH-Forschenden nun geschafft Zusammen mit Partnern in Deutschland den USA Israel und Griechenland konnten sie im Experiment die elektronischen und lichtbasierten Bauelemente zum ersten Mal auf ein und demselben Chip zusammenfügen Technisch ist dieser Schritt groß denn bis heute muss man diese Bauelemente getrennt voneinander auf je eigenen Chips herstellen und anschließend über Drähte miteinander verbinden Das hat Folgen Die Elektronikund PhotonikChips getrennt herzustellen ist zum einen kostspielig Zum anderen mindert es die Leistung bei der Umwandlung der elektronischen Signale in Lichtsignale und begrenzt somit die Übertragungsgeschwindigkeit in lichtleitenden Kommunikationsnetzen erklärt Ueli Koch Postdoktorand in Leutholds Gruppe und Hauptautor der Studie die in der Zeitschrift Nature Electronics erschienen ist Kompaktheit für Höchstgeschwindigkeit »Wenn man die elektronischen Signale über getrennte Chips in Lichtsignale umwandelt verliert man deutlich an Signalqualität Dadurch wird auch die Geschwindigkeit der Datenübertragung mit Licht begrenzt« sagt Koch Sein Lösungsansatz setzt deshalb beim Modulator an Dieser befindet sich auf dem Chip und erzeugt Licht in einer bestimmten Intensität indem er die elektrischen Signale in Lichtwellen umwandelt Um dabei die Qualitätsund Intensitätsverluste zu vermeiden und das Licht beziehungsweise die Daten schneller als heute zu übertragen muss der Modulator möglichst kompakt gebaut sein Diese Kompaktheit wird erreicht indem man die elektronischen und die photonischen Komponenten wie zwei Schichten dicht übereinander legt und direkt auf dem Chip verbindet engl On-Chip Vias Die Schichtung von Elektronik und Photonik reduziert die Übertragungswege und die Verluste der Signalqualität Da Elektronik und Photonik auf einem einzigen Substrat realisiert sind sprechen die Forscher von einer monolithischen Ko-Integration Gescheitert ist der monolithische Ansatz in den vergangenen 20 Jahren daran dass die Photonik-Chips viel größer sind als die elektronischen Das habe die Zusammenführung auf einem einzigen Chip verhindert sagt Jürg Leuthold Die Größe der photonischen Bauelemente verunmöglicht es dass man sie mit der heute in der Elektronik vorherrschenden Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie CMOS zusammenschließen kann »Den Größenunterschied zwischen Photonik und Elektronik haben wir nun überwunden indem wir die Photonik durch Plasmonik ersetzten« sagt Leuthold Plasmonik ist ein Teilgebiet der Photonik Dieser Technologie wird seit zehn Jahren voraussagt dass sie die Basis für superschnelle Chips werden könnte Mit der Plasmonik lassen sich Lichtwellen in Strukturen zwängen die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts Da die PlasmonikChips kleiner sind als elektronische lassen sich nun tatsächlich viel kompaktere monolithische Chips herstellen die sowohl eine Photonikals auch eine Elektronikschicht umfassen Um die elektrischen Signale nun in noch schnellere optische umzuwandeln enthält die photonische Schicht rot in der Grafik einen plasmonischen Intensitätsmodulator Dieser beruht auf Metallstrukturen die das Licht so kanalisieren dass man höhere Geschwindigkeiten erzielen kann Kombination ermöglicht Rekordgeschwindigkeit In der elektronischen Schicht blau in der Grafik wird die Geschwindigkeit zusätzlich erhöht Mit einem 4 1-Multiplexverfahren werden vier Eingangssignale mit niedrigerer Geschwindigkeit so gebündelt und verstärkt dass sie zusammen ein elektrisches Hochgeschwindigkeitssignal bilden »Dieses wird dann in ein optisches Hochgeschwindigkeitssignal umgewandelt« legt Koch dar »Auf diese Weise konnten wir zum ersten Mal Daten mit mehr als 100 Gigabit pro Sekunde auf einem monolithischen Chip übertragen « Um diese Rekordgeschwindigkeit zu erreichen kombinierten die Forscher die Plasmonik nicht nur mit klassischer CMOS-Elektronik sondern auch mit der noch schnelleren BiCMOS-Technologie Außerdem verwendeten sie ein neues temperaturstabiles elektrooptisches Material der University of Washington sowie Erkenntnisse aus den Horizon-2020-Projekten PLASMOfab und PlaCMOS Im Experiment ließ sich zeigen sagt Leuthold dass man diese Technologien zu einem der schnellsten kompakten Chips zusammenbauen könne »Wir sind überzeugt dass diese Lösung in Zukunft eine schnellere Datenübertragung in optischen Kommunikationsnetzen ermöglichen kann « nw ■ Bild ETH Zürich Nature Electronics Der neue hochkompakte Chip fügt erstmals schnellste elektronische und lichtbasierte Bauelemente in einer Komponente zusammen Dank der Zusammenführung von Elektronik und Plasmonik auf einem einzigen Chip lassen sich die Lichtsignale verstärken und die Daten schneller übertragen Bild IEF Springer Nature Ltd Fokus|Kommunikation