Neuer Modulator für weniger Energieverbrauch
Um den Energieverbrauch der Kommunikationsinfrastruktur zu senken, haben Forscher des Instituts für Elektromagnetische Felder eine neue Komponente entwickelt, die elektrische Daten effizient mit extrem geringem Energieverbrauch in optische Lichtsignale umwandelt. Die neue Technologie, die vor kurzem in einem in Nature Communications veröffentlichten Paper beschrieben wurde, kann künftig zur Übertragung immer grösserer Datenmengen verwendet werden.
Volle Kraft für energieintensive Anwendungen und Technologien
Neue Anwendungen wie Telemedizin, Augmented Reality und Supercomputing verändern unsere Gesellschaft. Supercomputer ermöglichen komplexe Simulationen und Datenanalysen (z.B. in der Meteorologie, Pharmakologie und Biologie), die uns dabei unterstützen, den Klimawandel besser zu verstehen oder Therapien gegen Krankheiten zu entwickeln. Telemedizin und Augmented-Reality-Anwendungen hingegen ermöglichen menschliche Interaktion überall auf der Welt zu jeder Zeit, ohne selbst reisen zu müssen, was nicht nur Zeit und Geld spart, sondern auch CO2-Emissionen drastisch reduziert.
Alle diese Technologien sind jedoch extrem datenintensiv und erfordern eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur, die mit diesen Daten umgehen kann. Schon heute setzen wir auf eine Infrastruktur, die täglich beispiellose Datenmengen transportiert. Allerdings wird erwartet, dass der Datentransport in den nächsten Jahren um einen weiteren Faktor 10 bis 100 wachsen wird, um diese neuen Anwendungen zu ermöglichen. Dies ist eine Herausforderung, da die derzeitige Infrastruktur bereits erhebliche Energieressourcen verbraucht und auf Grenzen hinsichtlich Geschwindigkeit stösst. Um die Dateninfrastruktur weiter auszubauen und gleichzeitig den Energieverbrauch moderat zu halten, sind neue Technologien dringend erforderlich.
Elektrooptische Modulatoren als Lösung
Elektrooptische Modulatoren sind der Schlüssel zu dieser Infrastruktur. Es handelt sich um Geräte, die elektrische Daten von Computern und Servern in optische Signale umwandeln können, um sie dann via Glasfaser zu transportieren. Diese Modulatoren müssen nicht nur schneller, sondern auch kompakter und energieeffizienter werden. Wenn eine Vielzahl dieser elektrooptischen Modulatoren dicht auf einem einzigen Mikrochip integriert werden könnte, würde die Umwandlung von elektrischen Daten in optische Signale den Anforderungen der zukünftigen Kommunikationsinfrastruktur gerecht werden. Letztendlich ist eine Reduktion des Energieverbrauchs unerlässlich, um den CO2-Verbrauch weiter zu minimieren.
Forschungszusammenarbeit zwischen der Schweiz und den USA
Forscher des Instituts für Elektromagnetische Felder der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Jürg Leuthold haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Washington, USA, einen neuen elektrooptischen Modulator entwickelt, dessen Energieverbrauch geringer ist und so neue Wege zur Integration elektrooptischer Hochgeschwindigkeitskomponenten eröffnet. Diese sogenannten "plasmonischen IQ-Modulatoren" wurden auf einer Silizium-Photonik-Plattform hergestellt, die zur Standardtechnologie für integrierte Optik werden soll. "Die neuen Modulatoren benötigen hundert Mal weniger Platz auf dem Siliziumchip als herkömmliche Silizium-Photonik-Modulatoren", erklärt Wolfgang Heni, der Erstautor des Papers. "Sie benötigen ausserdem vielfach niedrigere Betriebsspannungen als konkurrierende Hochgeschwindigkeitsmodulatoren. Diese neue Generation von Modulatoren arbeitet mit einer Geschwindigkeit, die von anderen Technologien nicht erreicht wird."
«"Die neuen Modulatoren benötigen hundert Mal weniger Platz auf dem Siliziumchip als herkömmliche Silizium-Photonik-Modulatoren.»Wolfgang Heni, Doktorand und Erstautor des Papers
Die plasmonischen IQ-Modulatoren basieren auf sogenannten "plasmonischen Phasenschiebern", die nur 300 µm2 einnehmen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Modulatoren, die mehr als das 100-fache an Platz einnehmen. Die Geräte werden mit Sub-1V-Treibelektronik betrieben, die einen geringen elektrischen Energieverbrauch von nur 0,07 fJ/Bit bei 50 Gbit/s, 0,3 fJ/Bit bei 200 Gbit/s und 2 fJ/Bit bei 400 Gbit/s ermöglicht.
Über diesen wissenschaftlichen Erfolg wurde vor Kurzem in einem Artikel in Nature Communications mit dem Titel "Plasmonic IQ Modulators with attojoule per bit electric energy consumption" berichtet. Das komplette Forschungsteam bestand aus Wolfgang Heni, Yuriy Fedoryshyn, Benedikt Bäuerle, Arne Josten, Claudia Hössbacher, Andreas Messner, Christian Haffner, Tatsuhiko Watanabe, Yannick Salamin, Ueli Koch, Delwin Elder, Larry Dalton und Jürg Leuthold.