Optische Chips reduzieren Internet-Energieverbrauch

Wirtschaft und Informationsgesellschaft sind auf die schnelle Internet-Kommunikation angewiesen. Zwar rasen die Daten bereits als Licht codiert durch Glasfasern, doch verarbeitet werden sie elektronisch. Diese Übersetzungsarbeit an der Nahtstelle kostet Zeit und teure Energie. Das von Forschern des Karlsruher Institut für Technologie (KIT)koordinierte Projekt SOFI zielt deshalb darauf ab, die Optik auf der gleichen Art von Chips zu integrieren, wie sie seit langem in der Halbleiterindustrie verwendet wird.

Ziel des im Januar angelaufenen Projekts SOFI (Silicon-Organic hybrid Fabrication platform for Integrated circuits) sind Lichtwellenleiter und elektrooptische Modulatoren, die sich durch die Verwendung von Silizium preiswert in Masse fertigen lassen. Durch die Miniaturisierung, die durch Siliziumwellenleiter möglich wird, kann viel bei der sonst notwendigen Verstärkung von elektrischen Signalen gespart werden, wodurch der Stromverbrauch sinkt. Und durch das blitzschnelle Schalten der Lichtinformationen können die Telekommunikationsbetreiber auch mehr Daten über eine Glasfaser schicken: Sie müssen keine weiteren Kabel verlegen.

Das vom Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des KIT unter Leitung von Professor Dr. 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 ist rund ein Tausend Mal weniger Energie als in heutigen Systemen aufgewendet werden muss.

Silizium-Chip mit Tausenden von optischen Modulatoren im Test, kontaktiert mit High-Speed-Elektroden und Glasfasern.
Foto: Hardy Müller

Weltweit arbeitet die Forschung auf Hochtouren an der Vereinigung von Optik und Elektronik auf einem Chip. Die damit verbesserte Energieeffizienz ist hochwillkommen: Der Anteil des Kohlendioxid-Ausstoßes allein der Informations- und Kommunikationsindustrie beträgt zwei Prozent, haben die Marktforscher von Gartner errechnet. Und nach einer Fraunhofer-Studie verbrauchen Produktion und Nutzung von ITK rund zehn Prozent des Stroms in Deutschland, mit steigender Tendenz wegen der boomenden Internet-Kommunikation.

"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." Der Trick: Fließt Licht durch bestimmte Kristalle und es wird ein elektrisches Feld angelegt, so ändert sich der Brechungsindex des Materials - die Geschwindigkeit des Lichts lässt sich manipulieren und damit seine Phase modulieren. Den optischen Chips öffnet sich auch jenseits der Telekommunikation eine Perspektive: Statt die riesigen Rechnerkomplexe der Wirtschaftsunternehmen und Supercomputer-Betreiber mit Kupferkabeln zu verknüpfen, bietet sich hier die Optoelektronik als energiesparsamere Alternative an.