Winziger Lichtschalter erleichtert Datenübertragung

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).

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.“

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).

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