ETH Zürich Optoelektronischer Chip aus Metall

Mikroskopische Aufnahme eines Chips. Oben links: funktionsfähiger Modulator mit elektrischen Kontakten; rechts: Testmodulator ohne elektrischen Kontakt; unten: Testkomponenten.
Mikroskopische Aufnahme eines Chips. Oben links: funktionsfähiger Modulator mit elektrischen Kontakten; rechts: Testmodulator ohne elektrischen Kontakt; unten: Testkomponenten.

Forscher der ETH Zürich haben das erste lichtprozessierende Mikroelektronik-Bauteil entwickelt, das aus Metall gefertigt ist und ohne Glas auskommt.

Bis vor Kurzem waren sich die Wissenschaftler noch einig: Optische Bauteile für die Mikroelektronik müssen in Glas gefertigt werden. Metalle eignen sich dazu nicht, weil sich optische Information darin höchstens 100 µm weit ausbreiten kann. 

Forschende unter der Leitung von Jürg Leuthold, Professor am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik an der ETH Zürich, machten nun das scheinbar Unmögliche möglich: Sie entwickelten ein lichtprozessierendes Bauelement aus Metall. 

Die Meisterleistung gelang ihnen, indem sie das Element klein genug bauten. Es ist nur 3 x 36 µm groß und liegt damit in einem Größenbereich, in dem sich optische und elektrische Informationen in Metallen ausbreiten können.

Beim Bauteil handelt es sich um einen Modulator…

…Modulatoren wandeln elektrische Datensignale in optische um. Sie sind in modernen Internetroutern für das Glasfasernetz verbaut und ermöglichen Glasfaser-Datenverbindungen zwischen Computereinheiten in Rechenzentren. Die heute standardmäßig verwendeten Bauteile funktionieren jedoch grundsätzlich anders als der neue Modulator.

Das Funktionsprinzip des neuen Bauteils:…

… Licht aus einer Glasfaser wird auf den Modulator geleitet und versetzt die Elektronen auf dessen Oberfläche in Schwingung. Experten sprechen dabei von einer Plasmon-Oszillation. Diese Schwingung lässt sich durch elektrische Datenpulse indirekt verändern. Wird die Schwingung der Elektronen wieder in Licht zurückverwandelt, entsteht ein Lichtsignal, das entsprechend gepulst ist. Die Information wurde dabei von einem elektrischen in einen optischen Datenpuls überführt und kann nun in Glasfasern transportiert werden.

Bereits vor zwei Jahren…

… entwickelten Leuthold und seine Kollegen einen solchen plasmonischen Modulator. Es handelte sich damals um den kleinsten und schnellsten je gebauten Modulator. Damals waren auf dem Halbleiterchip allerdings noch diverse Komponenten aus Glas mitverbaut.

Indem die Wissenschaftler nun alle Glaskomponenten…

... durch metallische ersetzen, schafften sie es, einen noch kleineren Modulator zu bauen, der bei einer noch höheren Geschwindigkeit arbeitet. »In Metallen können sich Elektronen praktisch beliebig schnell bewegen, nicht so in Glas, wo es eine physikalisch bedingte Geschwindigkeitsobergrenze gibt«, sagt Masafumi Ayata, Doktorand in Leutholts Gruppe und Erstautor der Studie. 

Im Experiment konnten die Forschenden Daten mit 116 Gigabit pro Sekunde übertragen. Sie zeigen sich überzeugt, dass mit Optimierungen sogar noch höhere Datenübertragungsraten möglich sind.