Karlsruher Forscher wollen Energieverbrauch des Internets reduzieren

Ein mit teurem Lithiumniobat funktionierendes Prinzip soll dazu auf Silizium übertragen werden. Die neue Methode benötigt ein Tausendstel der bisher aufzuwendenden Energie. Durch Miniaturisierung und Massenfertigung wollen die Forscher die Technologie praxistauglich machen.

von Peter Marwan am 11. März 2010 , 14:20 Uhr

Silizium-Chip mit Tausenden von optischen Modulatoren im Test (Bild: Hardy Müller).

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben für das von ihnen koordinierte Projekt SOFI (Silicon-Organic hybrid Fabrication platform for Integrated circuits) von der EU Fördergelder in Höhe von 2,5 Millionen Euro erhalten. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Lichtwellenleitern und elektrooptischen Modulatoren, die sich durch die Verwendung von Silizium preiswert in Masse fertigen lassen.

Die durch Siliziumwellenleiter mögliche Miniaturisierung macht einen Großteil der sonst notwendigen Verstärkung von elektrischen Signalen überflüssig. Dadurch sinkt der Stromverbrauch.

Das vom Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT unter Leitung von Professor Jürg Leuthold erarbeitete Design lässt eine Signalverarbeitung erwarten, „die mit über 100 Gigabit pro Sekunde die doppelte Übertragungsrate heutiger, vergleichbarer Technologien besitzt, bei einem Energieaufwand von nur fünf Femtojoule pro Bit“. Dies sei rund tausendmal weniger Energie, als in heutigen Systemen aufgewendet werden müsse.

„Wir übernehmen das mit dem teuren Lithiumniobat funktionierende Prinzip und übertragen es auf das kostengünstige Silizium“, sagt Leuthold. „Silizium hat einen hohen Brechungsindex und es lassen sich Wellenleiter in feineren Strukturen herstellen – das Bauelement ist also deutlich kleiner.“ Werden die Elektronen sehr nahe an den Wellenleiter herangebracht, lassen sie sich zudem mit sehr geringer Spannung steuern, so dass das elektronische Signal keine Verstärkung mehr braucht. Mit einem Modulator aus Silizium soll so eine Bandbreite von 100 Gigahertz erreicht werden. Um die Übertragungsrate zu steigern, sollen sich mehrere Modulatoren gleichzeitig verschalten lassen.

Daten werden über größere Entfernungen zwar bereits heute als Licht codiert durch Glasfasern geschickt, aber immer noch elektronisch verarbeitet. Diese Übersetzungsarbeit an der Nahtstelle kostet Zeit und Energie.

„Um Daten auf ein Lichtsignal zu packen, könnte man einfach eine Laserdiode an- und ausschalten, was aber nicht die schnellste Möglichkeit darstellt“, erklärt Dietmar Korn, ein Mitarbeiter von Professor Leuthold. „Um schneller zu sein, modulieren wir die Phase des Lichts.“ Fließt Licht durch bestimmte Kristalle und wird ein elektrisches Feld angelegt, ändert sich der Brechungsindex des Materials. Dadurch lässt sich die Geschwindigkeit des Lichts manipulieren und damit seine Phase modulieren.

Für die optischen Chips sehen die Karlsruher Forscher auch außerhalb der Telekommunikation Einsatzmöglichkeiten. Mit Optoelektronik könnten etwa auch die bisher zur Verknüpfung von Rechnerkomplexen bei Großunternehmen und Supercomputer-Betreibern benutzten Kupferkabel durch eine energiesparendere Alternative ersetzt werden.