KIT
Weltweit kleinster Photodetektor wandelt Daten in Rekordzeit
Das Internet of Things lässt die Datenmengen explodieren. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie haben den weltweit kleinsten Photodetektor entwickelt, der Lichtwellensignale optischer Leiter in elektrische Signale zur informationstechnischen Weiterverarbeitung wandelt.
Die Bauteile mit nicht einmal einem Millionstel Quadratmillimeter erlauben es, eine Vielzahl von ihnen auf integrierten optischen Schaltungen zu integrieren, wodurch die Leistungsfähigkeit optischer Kommunikationssysteme erheblich gesteigert werden kann. Experimentell wurden Datendurchsatzraten von 40 Gbit pro Sekunde gemessen.
»Mit diesem Bauteil lässt sich der Inhalt einer kompletten DVD in einem Bruchteil einer Sekunde übertragen. Es handelt sich um den bisher kleinsten Detektor, der diese Datenrate erreicht; er ist hundert Mal kleiner als ein konventioneller Photodetektor«, erläutert der Physiker Sascha Mühlbrandt vom KIT, der die Arbeiten am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Institut für Photonik und Quantenelektronik durchgeführt hat.
Der Plasmonic Internal Photoemission Detector (PIPED) kann auf CMOS-Chips integriert werden: »Die Einführung neuartiger plasmonischer Bauelemente für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Information zwischen elektronischen Chips im Rechner bietet technische Möglichkeiten, die die Vorteile elektronischer und optischer Bauelemente verbinden und dies bei vergleichbarer oder besserer Übertragungsgeschwindigkeit«, sagt Projektkoordinator Professor Manfred Kohl vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT.
Der Photodetektor nutzt hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen, sogenannte Oberflächen-Plasmon-Plaritonen, an metallisch-dielektrischen Grenzflächen, um die Elektronik und Optik in maximaler Miniaturisierung zu integrieren. »Diese neue Klasse der plasmonischen Wandler beruht auf dem Mechanismus, durch den der Photostrom erzeugt wird, nämlich der direkten Signalwandlung an metallischen Grenzflächen bei optischen Frequenzen. Dieser Prozess ist bekannt als interne Photoemission«, sagt Mühlbrandt.
Zur Absorption von Licht und seiner Umwandlung in elektrische Signale werden Ladungsträger an einem Titan-Silizium-Übergang erzeugt und an einem weiteren Gold-Silizium-Übergang aufgenommen. Die geringe Entfernung der beiden Metall-Silizium-Übergänge von weniger als 100 Milliardstel Metern ist für die hohe Geschwindigkeit des Detektors verantwortlich.
In Sachen Geschwindigkeit und Übertragungsmedien ist künftig noch mehr drin: »Der neuartige Ansatz zur Detektion optischer Signale macht es möglich, elektromagnetische Signale mit Bandbreiten im Terahertz-Bereich zu erzeugen und zu detektieren«, sagt Professor Christian Koos vom KIT, Sprecher der Helmholtz International Research School of Teratronics (HIRST). »Plasmonische Bauteile könnten in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation Verwendung finden und dort Übertragungsraten bis zu 1 Terabit pro Sekunde möglich machen.«
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