Optischer Siliziumchip verarbeitet 170,8 GBit/s

Ein internationales Forscherteam hat nach eigenen Angaben einen Chip entwickelt, der viermal leistungsfähiger als der bisherige Rekordhalter ist. Er ermöglicht es, ein optisches Datensignal, das mit 170,8 Gigabit pro Sekunde arbeitet, so umzuschreiben, dass daraus vier Datenströme mit 42,7 Gigabit pro Sekunde entstehen. Diese können anschließend auf elektronischem Wege weiterverarbeitet werden.

Die Wissenschaftler, unter ihnen vier Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), setzen bei dem Chip auf die Kombination von organischer Chemie und Silizium-Technologie. Die Gruppe habe „das Beste aus zwei Welten zusammengebracht“, sagte Professor Jürg Leuthold vom Karlsruher Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ).

Die Forscher haben ein organisches Material entwickelt, das hohe optische Qualität auf eine neue Weise mit der Fähigkeit kombiniert, Lichtsignale zu übertragen. Das Team unter der Leitung von Leuthold und des Karlsruher Professors Wolfgang Freude fand eine Lösung dafür, dieses Material in die Silizium-Chip-Technologie zu integrieren, so dass es in Geräten der optischen Telekommunikation eingesetzt werden kann. „Der Chip kann die Daten von 2,6 Millionen Telefonanrufern verarbeiten“, so Leuthold.

In einem Experiment haben die Forscher die Funktionalität der ultraschnellen Datenverarbeitung nachgewiesen. Indem der Chip die Daten auf optischem Wege prozessiere, erklärt Leuthold, „kann man die durch die Elektronik bedingten Geschwindigkeitslimits um den Faktor vier – und noch mehr – überschreiten“.

Es ist seit Jahren bekannt, dass Daten mit optischen Mitteln weit schneller verarbeitet werden können als auf elektronischem Wege. Bislang war der Nachweis nicht gelungen, dass man mit billigem Silizium bei Bitraten weit über der Schallgrenze von 100 GBit/s arbeiten kann. Dabei tüftelten Forscher auf der ganzen Welt seit Jahren eifrig an der Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie. So meldete Intel erst kürzlich die erste optische Signalverarbeitung mit 40 GBit/s.

Die Forschergruppe um Leuthold und Freude hat diesen Rekord nun um den Faktor vier überboten. Das gelang, indem sie einen neuen Weg beschritt: Die Licht führenden Bahnen auf ihrem Silizium-Chip haben im Gegensatz zu den Licht führenden Wellenleitern der Konkurrenz einen feinen Spalt in der Mitte. Er ist gerade einmal 100 Nanometer breit – ein menschliches Haar ist etwa 700-mal dicker.

Der Spalt ist mit einem neuartigen organischen Molekül gefüllt, das dem optischen Wellenleiter zu ultraschnellen Eigenschaften verhilft. Dazu erhitzen die Forscher das Material bis zur Dampfphase, in der sie es auf die Siliziumstruktur legen. Danach bildet es einen homogenen festen Zustand aus. So füllen die Moleküle den Spalt komplett und gleichmäßig, wodurch Streuverluste verhindert werden: „Das war der Durchbruch“, so Leuthold.

Für den Karlsruher Forscher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, „dass wir auch bei höchsten Bitraten weiterhin mit Silizium arbeiten können“. Die Erfolgsgeschichte von Silizium, die vor 61 Jahren mit der Entwicklung des ersten Transistors begann, könne ihre Fortsetzung finden: „indem wir in den kommenden Jahren das Silizium so modifizieren, dass wir optische Signale bei Geschwindigkeiten jenseits des mit Elektronik Machbaren verarbeiten können“.