Schnelle Klappe

Ein winziger Lichtmodulator aus Silizium formt Signale für Datenraten von bis zu 5 Gbit/s

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Für optoelektronische Schaltkreise auf einem kompakten Siliziumchip bedarf es neben Lichtquellen und Detektoren auch Lichtmodulatoren. Letztere lassen sich um drei Größenordnungen auf einen Durchmesser von nunmehr 12 µm schrumpfen – klein genug für den Einbau in Schaltkreise aus Silizium.

Während es aus Silizium bereits Wellenleiter, Lichtquellen, Lichtverstärker und rudimentäre Laser gibt, fehlen bislang kompakte elektrische Lichtmodulatoren für den Einbau auf Siliziumchips. Wissenschaftler der Cornell Universität haben einen solchen Modulator mit 12 Mikrometer Durchmesser gebaut und ihn in der Ausgabe vom 19.05.2005 der Zeitschrift Nature auf Seite 325 in Band 435 beschrieben.

Der Ringresonator ist auf einer 3 µm dicken Oxidschicht aufgebaut. Der Wellenleiter sowie der Ring haben eine rechteckige Querschnittsfläche von 450 mal 250 nm, der Abstand zwischen beiden beträgt 200 nm. Das elektrische Signal zum Modulieren liegt an den hoch dotierten Bereichen der p-i-n-Diodenstruktur an und variiert somit den Brechungsindex, in diese Bereiche dringt kaum Licht ein. (Bild: Michal Lipson, Cornell Univ.)

Bereits bekannte kompakte Modulatoren aus Verbindungshalbleitern eignen sich nicht fürs Einbauen in einen Siliziumschaltkreis, dies wäre technisch aufwendig und somit teuer. Es gab bereits klobige Silizium-Modulatoren mit einer Ausdehnung von mehreren Millimetern; die große Ausdehnung ist wegen der schwachen Variation des Brechungsindex mit der Elektronen-Löcher-Konzentration erforderlich. Die Forscher aus Cornell wählten statt eines MOS-Aufbaus eine p-i-n-Konfiguration, letzteres lässt sich wesentlich filigraner aufbauen; in der intrinsischen Schicht laufen die Lichtwellen umher.

Das Minimum der hier logarithmisch aufgetragene Transmission verschiebt sich beim Ändern der Steuerspannung an der p-i-n-Diodenstruktur wegen ihrer Abhängigkeit vom Brechungsindex. Die kleine links eingefügte Grafik zeigt die Abhängigkeit der Transmission von der Steuerspannung und bezieht sich auf die resonante Wellenlänge des Rings von 1574 nm. (Bild: Michal Lipson, Cornell Univ.)

Die Transmission eines mit einem Resonator gekoppelten Wellenleiters hängt besonders empfindlich vom variierenden Brechungsindex ab und erreicht ihr Minimum bei einer Lichtwellenlänge, bei der der Umfang des Ringresonators ein ganzzahliges Vielfaches von ihr ausmacht. Das Anpassen des Brechungsindex im Ring moduliert also die Transmission des optischen Signals – das geschieht elektrisch durch das Injizieren von Elektronen und Löchern in den Resonator, dazu dient eine PIN-Diode.

Zudem ließe sich die Wellenlängenabhängigkeit der Modulation in der Nachrichtentechnik künftig möglicherweise fürs Wellenlängenmultiplexen nutzen.

Das linke und das rechte Doppelbild zeigt die Lichtmodulation bei einem effektiven Takt von 0,4 beziehungsweise 1,5 Gbit/s. Die maximal mögliche digitale Datenrate des vorliegenden Resonators beträgt rund 5 Gbit/s. (Bild: Michal Lipson, Cornell Univ.)