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ETH baut den superschnellen Chip der Zukunft

ETH-Forscher haben gefunden, wonach seit 20 Jahren gesucht wird: Eine Methode, Licht und Elektronik auf einem superschnellen Chip zu vereinen. Ihr Plasmonik-Chip ist nicht nur leistungsfähiger, sondern auch kleiner und billiger als alles bisher Dagewesene.

Agentur
sda
Freitag, 03. Juli 2020, 11:09 Uhr Zürich
Der neue, hochkompakte Chip, der an der ETH Zürich entwickelt wurde, fügt erstmals schnellste elektronische und lichtbasierte Bauelemente in einer Komponente zusammen. (Bild: ETH Zürich / Nature Electronics)
Der neue, hochkompakte Chip, der an der ETH Zürich entwickelt wurde, fügt erstmals schnellste elektronische und lichtbasierte Bauelemente in einer Komponente zusammen. (Bild: ETH Zürich / Nature Electronics)
Bild: ETH Zürich / Nature Electronics

Und er wird bald einmal zur absoluten Notwendigkeit werden. Denn die heute in optischen Glasfasernetzen verfügbaren maximal 100 Gigabits pro Leitung und Wellenlänge werden nicht mehr lange reichen, um die steigende Nachfrage zu decken: nach Online-​Diensten für Streaming, Speicherung und Rechenleistungen sowie das Aufkommen von künstlicher Intelligenz und 5G-​Netzwerken.

«Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, brauchen wir neue Lösungsansätze», sagt Jürg Leuthold, ETH-​Professor für Photonik und Kommunikation. «Der Schlüssel zu diesem Paradigmenwechsel liegt in der Zusammenführung von elektronischen und photonischen Bauelementen auf einem einzigen Chip.»

Die Photonik («Lehre von den Lichtteilchen») untersucht optische Technologien zur Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Information. Genau diese Zusammenführung haben die ETH-​Forschenden nun geschafft.

Die Crux bisher war, dass die Photonik-​Chips viel grösser sind als die elektronischen. Das habe die Zusammenführung auf einem einzigen Chip verhindert, sagt Leuthold. Die Grösse der photonischen Bauelemente verunmöglicht es, dass man sie mit der heute in der Elektronik vorherrschenden Metall-​Oxid-Halbleiter-Technologie (CMOS) zusammenschliessen kann.

Gelöst hat das ETH-Team dies, indem es Photonik durch Plasmonik ersetzte. Mit der Plasmonik lassen sich Lichtwellen in Strukturen zwängen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Nun klappts auch mit dem sogenannt «monolithischen» Chip.

Schneller und erst noch billiger

Das hat mehrere Vorteile: Die Elektronik-​ und Photonik-​Chips getrennt herzustellen, ist zum einen kostspielig. Zum andern mindert es die Leistung bei der Umwandlung der elektronischen Signale in Lichtsignale und begrenzt somit die Übertragungsgeschwindigkeit in lichtleitenden Kommunikationsnetzen, erklärt Ueli Koch, Postdoktorand in Leutholds Gruppe und Hauptautor der Studie, die in der Zeitschrift Nature Electronics erschienen ist.

Im Experiment hat sich der Plasmonik-Chip bewährt. Es liess sich zeigen, dass man diese Technologien zu einem der schnellsten kompakten Chips zusammenbauen könne: «Wir sind überzeugt, dass diese Lösung in Zukunft eine schnellere Datenübertragung in optischen Kommunikationsnetzen ermöglichen kann.»

Fachartikelummer DOI: 10.1038/s41928-​020-0426-8

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