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Datum: 1. Juli 2013, Nr. 46

Mehr Energieeffizienz in der Datenübertragung

Weltrekord bei der photonischen Integration in Silizium

Forschern des Instituts für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) der Universität Stuttgart und des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) gelang ein Weltrekord bei der energieeffizienten photonischen Integration in Silizium. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Eindämmung des Energieverbrauchs bei der Datenübertragung im Internet und in der Telekommunikation. Die Wissenschaftler arbeiteten mit optimierten aperiodischen Gitterstrukturen im Nanometerbereich mit einem neu entwickelten Rückseitenspiegel. Dadurch konnte in der Koppeleffizienz für Licht aus der Standardglasfaser in integrierte photonische Wellenleiter auf Siliziumscheiben ein Rekordwert von 87 Prozent erreicht werden.

Internet und Telekommunikation basieren auf einem optischen Kernnetz, das mit vergrabenen Glasfasern die Städte weltweit verbindet. Diese können mit sehr geringen Dämpfungen das Licht über weite Strecken übertragen. Nach einer Studie der Firma CISCO wird sich alleine der mobile Datenverkehr (Smartphones), der Ende 2012 bei 885 Petabytes pro Monat lag, bis 2017 auf über zehn Exabytes pro Monat steigern. Damit der Energieverbrauch unserer Kommunikationssysteme nicht im gleichen Maße steigt, sind energieeffizientere Übertragungssysteme ein hochaktuelles Forschungsthema.

Die Wissenschaftler des INT und des IMS haben ein zum Patent angemeldetes Herstellungsverfahren entwickelt, mit dem komplexe optische Sende- und Empfangsstrukturen auf Siliziumscheiben integriert werden können. Bisherige optische Sender und Empfänger basieren auf Indiumphosphidsubstraten, die nur mit kleinen Durchmessern und zu hohen Kosten verfügbar sind. Die Fachwelt rechnet damit, dass im Heimcomputer des Jahres 2020 optische Verbindungen notwendig sind, um die großen Datenmengen zwischen den einzelnen Bausteinen des Rechners auszutauschen. Das verwendete Licht mit einer Frequenz von circa 192 Terahertz bietet mit Bandbreiten von vielen Terahertz Übertragungsraten von etlichen Terabit/s. Forscher in aller Welt versuchen daher, mit neuen Komponenten diese enormen Datenraten in kommerziellen Produkten verfügbar zu machen. Da Silizium bei dieser Lichtfrequenz transparent ist, bietet es sich auch als Wellenleitermaterial an. In zukünftigen Rechnerbausteinen könnte daher das Rechnen in nanoelektronischen Schaltungen und die Datenübertragung mit Photonen erfolgen.

Hierzu muss das Licht mit großer Effizienz in den Siliziumwellenleitern geführt und dann von einem Baustein zum Nächsten über Lichtwellenleiter übertragen werden. Die dabei entstehenden Energieverluste sollten so gering wie möglich sein. Den Forschern an der Universität Stuttgart ist mit den neu entwickelten aperiodischen Gitterstrukturen mit dem Herstellungsprozess von IMS CHIPS ein Weltrekord in der Kopplung des Lichts aus der Glasfaser in die Siliziumwellenleiter gelungen. Weltweit ist mit dem Kopplungsgrad von 87 Prozent und einer Breitbandigkeit von circa 40 Nanometer nun die Integration optischer Sender und Empfänger auf Silizium einen großen Schritt vorangekommen.

Bei weiteren Anwendungen erfolgreich
In diesem Herstellungsverfahren können auch weitere Bauteile wie zum Beispiel Polarisationssplitter mit den Gitterkopplern kombiniert werden. Auch für diese Anwendung erzielten die Stuttgarter Forscher einen neuen Weltrekord im Wirkungsgrad. Damit sind die Universität Stuttgart und IMS CHIPS nun weltweit führend bei der Integration optischer Komponenten auf Siliziumsubstraten. Diese Forschungsarbeiten sollen nun in Zusammenarbeit mit der Industrie fortgeführt werden, um komplexe Sender und Empfänger auf Silizium zu realisieren, die zu geringen Kosten Datenübertragungen für Datenraten jenseits von 1 Terabit/s ermöglichen.

Die Ergebnisse werden im September auf der Europäischen Tagung für Optische Komponenten (ECOC) in London veröffentlicht (http://www.ecoc2013.org/) . Die Polarisationssplitter sind in den IEEE Photonics Technology Letters publiziert worden: W. Sfar Zaoui, A. Kunze, W. Vogel, M. Berroth, „ CMOS-compatible polarization splitting grating couplers with a backside metal mirror“, 10.1109/LPT.2013.2266132

Weitere Informationen:
Prof. Manfred Berroth, Wissem Sfar Zaoui, Universität Stuttgart, Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT), Tel. 0711/685-67922, -67892, E-Mail: berroth [at] int.uni-stuttgart.de, wissem.sfarzaoui [at] int.uni-stuttgart.de

Prof. Joachim Burghartz, Dr. Jörg Butschke und Dr. Florian Letzkus, Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS), Tel: 0711/21855-200, -453, -451,
E-Mail: burghartz [at] ims-chips.de, butschke [at] ims-chips.de, letzkus@ims-chips.de

Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu [at] hkom.uni-stuttgart.de

INT
Das Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) gehört zur Fakultät „ Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik“ der Universität Stuttgart. Unter der Leitung von Prof. Manfred Berroth beschäftigt das INT zurzeit 22 Mitarbeiter, die in Forschung, Lehre und Verwaltung arbeiten. Die Kernkompetenzen des Instituts liegen in der Modellierung, im Entwurf sowie in der Messtechnik, wobei sich die Forschungsarbeiten auf integrierte Schaltungen, integrierte photonische Komponenten und effiziente Leistungsverstärker konzentrieren. Das Institut ist auch Mitglied im Stuttgart Research Center of Photonic Engineering (SCoPE), einem Verbund von Instituten aus der Elektrotechnik, dem Maschinenbau und der Physik, der die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Naturwissenschaftlern und Ingenieuren an der Universität Stuttgart fördert.

IMS CHIPS
Das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ist eine Stiftung des bürgerlichen Rechts im Land Baden-Württemberg. Es führt industrienahe Forschung und Entwicklung in den Bereichen Siliziumtechnologie, Anwender-spezifische Schaltkreise (ASIC), Nanostrukturierung, Bildsensorik und Bildung durch. Das Institut bietet hierfür ganzheitliche Lösungen für KMU an, ist Partner von nationalen und internationalen Großunternehmen an vorderster Front der Technologieentwicklung und engagiert sich als Technologietreiber auf ausgewählten Gebieten. Unter der Leitung von Prof. Joachim Burghartz setzen sich 80 hochqualifizierte Mitarbeiter für die Entwicklung neuartiger Produkte der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und deren Umsetzung in die Fertigung ein.
 

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Mikroskop-Bild eines gefertigten Chips in Silizium und auf Gitter-strukturen angebrachter Glasfasern für die Ein- und Auskopplung des Lichts. (Foto: Universität Stuttgart/IMS)