KIT / Datentransfer Kompakter optischer Photodetektor - Kleine ganz Groß

Ein plasmonischer Detektor, der direkt an einen Silizium-Lichtwellenleiter angekoppelt ist und weniger als ein Mikrometer groß ist, wurde am KIT entwickelt.
Ein plasmonischer Detektor, der direkt an einen Silizium-Lichtwellenleiter gekoppelt ist und weniger als ein Mikrometer groß ist.

Der Datenverkehr wächst weltweit. Glasfaserkabel transportieren Informationen mit Lichtgeschwindigkeit über weite Entfernungen. An ihrem Ziel müssen die optischen Signale in elektrische Signale umgewandelt werden. Wie funktioniert das?

Forscher am KIT haben einen Photodetektor für die optische Datenübertragung entwickelt, dessen geringer Platzbedarf neue Maßstäbe setzt: Das Bauteil weist eine Grundfläche von weniger als einem Millionstel Quadratmillimeter auf, ohne die Datenübertragungsrate zu beeinträchtigen.

Photodetektoren für die optische Datenübertragung erhöhen durch integrierte optische Schaltungen die Leistungsfähigkeit optischer Kommunikationssysteme, da sie platzsparend in großer Anzahl auf optischen Chips integriert werden. Ein Vorteil der kompakten Baugröße ist die Integration des Photodetektors mit weiteren elektronischen Komponenten auf einem CMOS-Chip. Experimentell wurde ein Datendurchsatz von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde erreicht. Derzeit ist der Detektor der kleinste seiner Art, der diese Datenrate erreicht – er ist hundert Mal kleiner als ein konventioneller Photodetektor und die Datenübertragungsgeschwindigkeit könnte in Zukunft nochmals erhöht werden.

„Mit diesem Bauteil lässt sich der Inhalt einer kompletten DVD in einem Bruchteil einer Sekunde übertragen“, erläutert Sascha Mühlbrandt, Physiker am KIT (Institut für Mikrostrukturtechnik und Institut für Photonik und Quantenelektronik).

Der Photodetektor nutzt sog. Oberflächen-Plasmon-Polaritonen, um Optik und Elektronik zu vereinen. Oberflächen-Plasmon-Polaritonen sind hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen an metallisch-dielektrischen Grenzflächen. Plasmonische Wandler erzeugen einen Photostrom zur direkten Signalwandlung an metallischen Grenzflächen bei optischen Frequenzen. Dieser Prozess ist bekannt als interne Photoemission. Um die Absorption von Licht und dessen Umwandlung in elektrische Signale effizient zu gestalten, werden Ladungsträger an einem Titan-Silizium-Übergang erzeugt und an einem weiteren Gold-Silizium-Übergang aufgenommen. Die hohe Geschwindigkeit erreicht der Detektor durch seine spezielle Geometrie: Die beiden Metall-Silizium Übergänge sind weniger als 100 Milliardstel Meter voneinander entfernt.

Für Forscher ist das PIPED (plasmonic internal photoemission detector)-Konzept nicht nur wesentlich für zukünftige optische Datenübertragungssysteme, sondern auch eine Schlüsselkomponente für die drahtlose Datenübertragung. Der PIPED für optische Signale ermöglicht es elektromagnetische Signale mit Bandbreiten im Terahertz-Bereich zu erzeugen und zu detektieren. Plasmonische Bauteile können beispielsweise in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet werden und Übertragungsraten bis zu 1 Terabit pro Sekunde ermöglichen.

Den PIPED stellten die Wissenschaftler zum ersten Mal im Journal “Optica” unter dem Titel „Silicon-Plasmonic Internal-Photoemission Detector for 40 Gbit/s Data Reception“ vor.

Quelle:

S. Mühlbrandt, A. Melikyan, T. Harter, K. Köhnle, A. Muslija, P. Vincze, S. Wolf, P. Jakobs, Y. Fedoryshyn, W. Freude, J. Leuthold, C. Koos, M. Kohl: Silicon-Plasmonic Internal-Photoemission Detector for 40 Gbit/s Data Reception. Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.3.000741,
https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-7-741