Wie resonante Modulatoren die Konnektivität verstärken

Die Übertragung von Daten mit Licht durch Glasfaserkabel ist eine der Kerntechnologien der heutigen Informationsgesellschaft. Hochleistungsrechenzentren, die Kommunikation über Ozeane und Kontinente und Ihr Internet zu Hause beruhen alle darauf, Daten effizient von A nach B mit Lichtimpulsen über Glasfasernetzwerke zu übertragen. Schlüsselkomponenten zur Erzeugung dieser Impulse aus elektrischen Eingangssignalen werden Modulatoren genannt. Ein Team von ETH-Forschenden und ihrem industriellen Partner externe SeitePolariton Technologiescall_made hat nun eine nanostrukturierte Modulator-Design entwickelt, das es ermöglicht, Informationen mit sehr hoher Geschwindigkeit zu übertragen - und nicht nur für eine optische Wellenlänge, sondern mit der Möglichkeit, auf mehrere Wellenlängen in derselben Faser zu skalieren. Ihre Erfindung eröffnet Möglichkeiten für schnellere, parallelisierte optische Datenübertragungen innerhalb zukünftiger Supercomputer und Rechenzentren und wurde in der neuesten Ausgabe der externe SeiteZeitschrift Nature Photonicscall_made zusammengefasst.

«In den letzten Jahren hat die Computerbranche zunehmend nach nicht nur schnelleren Geschwindigkeiten, sondern auch nach Wellenlängenmultiplex-parallelübertragungen gesucht», sagt Marco Eppenberger, Hauptautor der Studie und Forscher in der Gruppe von Professor Juerg Leuthold an der ETH Zürich. «Bisher waren schnelle Designs nicht kompatibel mit Multiplexing-Technologien - oder nur zu einem hohen Preis an Komplexität. Bei dem neuen Ansatz haben wir Plasmonik in einen Mikroringhohlraum-Modulator integriert. Da Mikroring-Konfigurationen mit einfachem Multiplexing kompatibel sind, konnten wir Geräte entwickeln, die beides gleichzeitig können.»

Die wichtigste Komponente war jedoch die schnelle Modulation, die durch den Plasmonik-Ansatz ermöglicht wurde. In den letzten zehn Jahren hat Leutholds Gruppe die Grundlagen der Plasmonik für die Datenkommunikation gelegt, wie in früheren Berichten dokumentiert. Ihre Plasmonik-Technologie besteht darin, zwei Metalle extrem nah beieinander zu bringen, viel näher als ein Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares. Wenn das Licht zwischen den Metallen eingeschlossen wird, wird das Licht auf die Nanometerskala hochkonzentriert und kann sehr effizient moduliert werden, d.h. mit sehr wenig Energieverbrauch. Diese plasmonische Modulationstechnik wurde nun mit der traditionelleren Silizium-Technologie kombiniert. Bei der traditionellen Silizium-Technik wurde die Modulation durch dotiertes Silizium erreicht. Bei dem neuen Design wurde das Silizium für die Führung und das Multiplexing von Licht verwendet, aber der aktive Modulationsabschnitt des kreisförmigen Wellenleiters wurde durch plasmonische Metallwellenleiter ersetzt.

«Tatsächlich», erklärt Marco, «ist die Verwendung von Plasmonik in einer Mikroring-Kavität von gegenseitigem Nutzen: Die Kavität ermöglicht es, die Verluste der Plasmonik zu reduzieren, während die Plasmonik es ermöglicht, die Geschwindigkeitsgrenzen der Kavität auf wesentlich höhere Werte zu bringen. Mit dem richtigen Design konnten wir sogar einen neuen Weltrekord in der Datenübertragungsgeschwindigkeit demonstrieren!»

Um den Lichtmodifizierungseffekt im Plasmonik-Bereich zu erreichen, fügten die Forscher ein nichtlineares Polymer zwischen die beiden Metallelektroden ein, anstatt auf Silizium zu setzen. Die Zugabe des Polymers brachte einen weiteren wichtigen Vorteil: Es verbessert die Temperaturtoleranz des Modulators - eine sehr wichtige Eigenschaft für eine Anwendung in der Supercomputertechnik. «Bisher», sagt Marco, «mussten komplexe thermische Stabilisierungssysteme implementiert werden, wenn man bisherige Designs in der Nähe von Prozessoren verwendete, da sich die Prozessoren unter Betrieb schnell erwärmen. Mit der höheren Temperaturtoleranz könnten die thermischen Stabilisatoren vereinfacht oder sogar vollständig weggelassen werden.»

Die neu erfundenen Modulatordesigns sollen geeignet sein, um die verschiedenen Prozessoren in Supercomputern oder Rechenzentren miteinander zu verbinden. Schnelle und thermisch stabile Sender können eng mit den Prozessoren und Speichern integriert werden, die letztendlich nichts anderes als ein Ziel haben: die Konnektivität so energieeffizient wie möglich zu gestalten.