Winziger Lawinenfotodetektor von IBM

Statt wie heute über elektrische Impulse und Kupferdrähte sollen Chips in Zukunft mit Lichtimpulsen Daten intern weitergeben. Damit könnten sich in einer nicht allzu fernen Zukunft energieeffiziente Computer mit einer Rechenleistung im Exaflop-Bereich bauen lassen, so die Forscher.

Der sogenannte "Nanophotonic Avalanche Photodetector" nutzt den Lawineneffekt in Germanium, einem Material, das schon heute in der Chipherstellung eingesetzt wird. Eingehende Lichtimpulse setzen dabei einige wenige Ladungsträger frei, die ihrerseits andere freisetzen. Das ursprüngliche Signal wird so mehrfach verstärkt.

Konventionelle Lawinenfotodetektoren seien aber nicht in der Lage, schnelle optische Signale zu verarbeiten, da sich die Lawinen nur langsam aufbauen, so die Forscher. Ihr eigener Detektor soll hingegen sehr schnell sein und optische Informationen mit einer Datenrate von 40 GBit/s verarbeiten und dabei zehnfach verstärken.

Dazu benötige der Fotodetekor nur eine Spannung von 1,5 Volt, während bisherige Ansätze mit 20 bis 30 Volt betrieben werden müssen.

Möglich sei diese deutlich verbesserte Leistung durch eine starke Miniaturisierung auf nur einige Dutzend Atome. So ist es möglich, auch sehr schwache Impulse zu erkennen und ohne großes Rauschen zu verstärken. So findet die Verstärkung innerhalb nur weniger Zehntel eines Nanometers statt und geht dadurch sehr schnell.

Da das verwendete Material Germanium auch heute schon in der Chipherstellung verwendet wird und sich die Herstellung mit den üblichen Mitteln der Chipfertigung umsetzen lässt, können die Fotodetektoren zusammen mit Transistoren gefertigt werden, um eine schnelle Kommunikation innerhalb des Chips zu ermöglichen.

Ihre Forschungsergebnisse stellen die Forscher um Solomon Assefa unter dem Titel Reinventing Germanium Avalanche Photodetector for Nanophotonic On-chip Optical Interconnects in der Märzausgabe von Nature vor.