Ein Bit aus Licht

Optoelektronik: Ein Paar winziger Ringlaser könnte Adressdaten künftiger optischer Router zwischenspeichern

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Aus einem Paar winziger Ringlaser lässt sich eine 18 mal 40 Mikrometer große optische Speicherzelle bauen. Die Anordnung ist bistabil, das eine Bit Information speichert sie als Umlaufrichtung einer Lichtwelle, die im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn im Kreis herum laufen kann. Das Umschalten dauert 20 Picosekunden und benötigt 6 Femtojoule Lichtenergie, letzteres verbessert heutige Werte um zwei Größenordnungen.

Stetig steigende Datenraten der Telekommunikation lassen in Zukunft eine direkte optische Verarbeitung digitaler Daten in Zukunft wünschenswert erscheinen – also ohne das Umsetzen in elektrische Signale. Dazu ist ein optisches Speicherelement zum Zwischenspeichern von Daten und Adressen in Vermittlungsstellen oder Routern nötig; für einen künftigen Einsatz wären viele solcher Speicherzellen auf einem Chip zu packen.

Eine optische Speicherzelle besteht aus zwei mit einem Lichtleiter verbundenen ringförmigen Lasern, damit lässt sich ein bistabiler Zustand erreichen. Der hellgraue Maßstab ist 10 µm lang. (Bild: Martin Hill, TU Eindhoven)

Solche optoelektronischen Bauelemente gibt es bereits, ihr Energieaufwand fürs Umschalten ist mit rund 1 Picojoule jedoch recht groß. Schaltzeiten und Größe sind vergleichbar mit der hier beschriebenen Speicherzelle aus InP/InGaAsP mit einem Platzbedarf von 18 x 40 Mikrometer, der Schaltvorgang dauert derzeit 20 Picosekunden und benötigt 6 Femtojoule Lichtenergie. Das berichten holländische Wissenschaftler der Technischen Universität Eindhoven in der Ausgabe vom 11. November 2004 der Zeitschrift Nature auf Seite 206 in Band 432. Die Laser laufen mit den in der optischen Nachrichtentechnik üblichen infraroten Wellenlängen.

Zum Vergleich: Das Umschalten eines MOSFETs einer Gatebreite von 90 Nanometern erfordert rund 1 Femtojoule, aber die Schaltgeschwindigkeit ist einige Größenordnungen langsamer. Wie theoretische Ergebnisse der holländischen Autoren nahe legen, lässt sich die Schaltzeit ähnlicher optischer Speicherzellen auf rund 1 Picosekunde und der Energieaufwand auf 1 Femtojoule senken.

Wie lässt sich nun ein bistabiler optischer Resonator konstruieren? Die Wissenschaftler verwenden zwei Laser in Form eines kreisförmigen Mikroresonators. Dessen Umfang muss zur Wellenlänge des Lichts passen, mit der der Laser anschwingen soll. Ein Lichtleiter verbindet die beiden Ringe.

Mikro-Ringlaser haben zwei gegenläufige Moden: Das Licht kann im Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn herumlaufen. Hier zwingt der linke Laser, A, den rechten, B, die Lichtwelle im Uhrzeigersinn herum anschwingen zu lassen (cw = im Uhrzeigersinn, acw = im Gegenuhrzeigersinn). (Bild: Martin Hill, TU Eindhoven)

Ring-Laser haben zwei Moden, auch Eigenschwingungen genannt: Das Licht kann im Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn herumlaufen. Da die beiden Moden sich gegeneinander nicht stören, lässt sich ein bistabiler Resonator konstruieren. Wird Licht der einen Mode vom linken in den rechten Resonator geleitet, so unterdrückt letzterer seine Eigenschwingungen, da die verfügbare optische Pumpleistung für die Eigenschwingung nicht mehr ausreicht. Kurz gesagt, eine Mode beansprucht die optische Pumpleistung für sich allein.