Opto-Chips: Silizium-Verstärker mit Effizienzrekord

Wafer mit Opto-Chips Seit Jahren forscht Intel mit einer eigenen Abteilung an "Silicon Photonics". Die Idee dahinter: Wenn sich mit den Methoden der Halbleiterfertigung schnelle optische Verbindungen steuern lassen, ist der Weg frei für das Abschaffen der elektrischen Verbindungen zwischen Chips, die immer mehr zum Flaschenhals werden. Auch für die Telekommunikation könnte die optische Vernetzung auf Halbleiterbasis eine Revolution bedeuten.

2005 konnte Intel einen Verstärker für Laserlicht aus Silizium bauen, 2006 gelang es dann, die Lichtquelle ebenfalls auf einen Halbleiter zu integrieren. Dieser "Silicon-Raman-Laser" gilt seitdem als Basis für die optischen Chips der Zukunft. Parallel blieb die Forschung an anderen Ansätzen der Opto-Elektronik aber nicht stehen. Das Material Indiumphosphid, das aus dem sehr seltenen Element Indium hergestellt wird, galt bisher als bester Baustoff für optische Verstärker.

APRs in verschiedenen Bauformen auf einem Opto-Chip Zusammen mit Wissenschaftlern der Universitäten von Santa Barbara und Virgina und gefördert mit Geld der Forschungsagentur des US-Verteidigungsministeriums "DARPA" hat Intel nun einen optischen Verstärker aus Silizium gebaut, der effektiver als mit Indiumphosphid sein soll. Der optische Sensor empfängt das Licht und verstärkt es nach dem Prinzip des Lawinendurchbruchs. Im Englischen werden diese Verstärker daher auch "Avalanche Photodetector" oder APD genannt. Das Intel-Bauteil und die bisherigen Verstärker aus Indiumphosphid arbeiten nach demselben Prinzip. Die nicht aus Silizium gebauten APDs waren bisher aber effizienter.

Einzelner APR (rechts) mit elektrischen Test-Anschlüssen Nun soll der Halbleiter-APD aber ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBW) von 340 GHz erreicht haben. Wie Mario Paniccia, Intels Leiter des Silicon-Photonics-Labors, in einem Video erklärt, ist dieser Wert ein neuer Rekord. Einen auf einer so großen Bandbreite arbeitenden Verstärker hätten bisher auch die an der Forschung beteiligten Wissenschaftler der beiden Universitäten nicht bauen können.

Marienkäfer auf Opto-Chips mit APRs Damit wäre erstmals ein opto-elektronisches Bauteil, das nur mit den Methoden der Halbleiterfertigung hergestellt wurde, effektiver als mit bisher üblichen Bauarten. Laut Paniccia sind damit die 40 Gigabit pro Sekunde an Brutto-Übertragungsrate zwischen zwei Chips endlich ohne Zusatzbausteine möglich. Theoretisch ließen sich damit Prozessoren bauen, die ohne zusätzliche optische Bausteine nur mit einer Glasfaser über hunderte von Metern miteinander verbunden sind.

Die großen Distanzen wären beispielsweise in Rechenzentren interessant, bei kurzen Entfernungen von unter einem Meter soll die optische Verbindung auch für die Vernetzung von Bausteinen in einem PC dienen. Dass sich die voll integrierten Opto-Chips nicht nur in Labors herstellen lassen, hat Intel mit dem APD ebenfalls nachgewiesen. Hergestellt wurden die Bausteine auf herkömmlichen Wafern bei Intels Flash-Tochter Numonyx. Die Ergebnisse der aktuellen Forschung wurden bei Nature Photonics veröffentlicht.