Datentransfer: Mit Licht von Chip zu Chip

10 Prozent des Energieverbrauchs in Deutschland gehen auf das Konto von Informationstechnologie, Tendenz: steigend. Forscher von KIT und ETH haben nun einen sogenannten Mach-Zehnder-Modulator (MZM) entwickelt, der nur 12,5 Mikrometer in der Länge misst. Er soll dazu dienen Daten schneller und energieeffizienter zwischen elektronischen Chips auszutauschen. Ziel ist, zukünftig aktuelle Flaschenhälse abzubauen und Energie in den Rechenzentren zu sparen.

Der neue MZM ist in der Lage, digitale elektrische in optische Signale mit einer Rate von bis zu 108 Gigabit pro Sekunde zu konvertieren. „Gerade bei der Übertragung von Daten zwischen Computerchips bieten optische Technologien ein enormes Potential“, erklärt Manfred Kohl vom KIT. In dem von ihm geleiteten EU-Projekt „NAVOLCHI“ (Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection) wurde der plasmonische Modulator (ein elektrooptischer Wandler) entwickelt, der dem aktuellen MZM zugrunde liegt. „Kompakte, optische Sende- und Empfangseinheiten könnten die Geschwindigkeitsgrenzen heutiger Elektronik durchbrechen und helfen die Engpässe in den Datenzentren abzuschaffen.“

In der aktuellen Veröffentlichung wird ein MZM vorgestellt, der nur 12,5 Mikrometer lang ist, also etwa ein Zehntel der Dicke eines Haares. Er besteht aus zwei Armen, in denen sich je ein elektro-optischer Modulator befindet. Jeder Modulator besteht aus einem Metall-Isolator-Metall-Wellenleiter mit einem rund 80 Nanometer breiten mit elektro-optischem Kunststoff gefüllten Spalt und Gold-Seitenwänden, die zugleich als Elektroden funktionieren. An den Elektroden liegt eine Spannung an, die im Takt der digitalen Daten moduliert wird. Der elektro-optische Kunststoff ändert seinen Brechungsindex in Abhängigkeit von der Spannung. Wellenleiter und Koppler aus Silizium führen die beiden Anteile eines aufgespaltenen Lichtstrahls zu den Spalten oder davon weg.

Die Lichtstrahlen der Wellenleiter regen im jeweiligen Spalt elektromagnetische Oberflächenwellen, sogenannte Oberflächen-Plasmonen an. Durch die am Kunststoff anliegende Spannung werden die Oberflächenwellen moduliert. Die Modulation erfolgt in beiden Spalten unterschiedlich aber kohärent, da dieselbe Spannung mit unterschiedlicher Polung angelegt wird. Nach Durchlaufen der Spalte treten die Oberflächenwellen zunächst als modulierte Lichtstrahlen in die Ausgangs-Lichtwellenleiter ein und werden danach überlagert. Als Ergebnis erhält man einen Lichtstrahl in dessen Stärke (Amplitude) die digitale Information codiert wurde.

Im Experiment arbeitet der MZM zuverlässig im gesamten Spektralbereich der Breitband-Glasfaser-Netzwerke von 1500 bis 1600 Nanometer bei einer elektrischen Bandbreite von 70 Gigahertz mit Datenströmen von bis zu 108 Gigabit pro Sekunde. Die hohe Modulationstiefe folgt aus der hohen Fertigungsgenauigkeit der Silizium-Technologie. Der MZM lässt sich mit weitverbreiteten CMOS-Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen und damit leicht in aktuelle Chiparchitekturen integrieren.

Derzeit werden in Deutschland rund 10 Prozent des Stromes durch Informations- und Kommunikationstechnologien verbraucht, etwa durch Computer und Smartphones beim Nutzer, aber auch durch die Server in großen Rechenzentren. Da der Datenverkehr exponentiell anwächst, bedarf es neuer Ansätze, die den Durchsatz steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch dämpfen. Plasmonische Bauteile könnten hier einen entscheidenden Beitrag liefern.

Ziel des EU-Projekts NAVOLCHI ist es, die Interaktion von Licht und Elektronen in Metalloberflächen auszunutzen, um neuartige Bauteile für die optische Datenübertragung zwischen Chips zu entwickeln. Das Projekt wird im siebten Forschungs-Rahmenprogram der EU gefördert und verfügt über ein Budget von 3,4 Millionen Euro.