Lichtschalter für die Datenübertragung

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Wissenschaftler des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik haben ein Schaltelement entwickelt, mit dem Lichtsignale gesteuert werden können. Das Bauteil ist kleiner als ein menschliches Haar. Es handelt sich um ein akustisches Mach-Zehnder-Interferometer, das Lichtsignale moduliert. Der aktive Bereich, in dem die Modulation stattfindet, ist nur je 15 Mikrometer lang und breit. Bisherige Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) werden hauptsächlich aus dielektrischem Material hergestellt, beispielsweise Lithiumniobat, und reagieren auf angelegte elektrische Spannungen.

 

Die Neuentwicklung dagegen wurde aus der Halbleiterverbindung Galliumarsenid (GaAs) hergestellt und benutzt so genannte akustische Oberflächenwellen, um das durch eine optische Faser eingebrachte Licht zu modulieren. Das Prinzip beruht auf Interferenz. Ein MZI teilt einen eingehenden Lichtstrahl, lenkt ihn in zwei Arme und führt den Strahl nach kurzer Distanz wieder zusammen. In bisherigen GaAs-Prototypen, die in wenigen Jahren auf den Markt kommen sollen, sind diese Arme einige Millimeter lang. Legt man nun eine elektrische Spannung an das Bauteil, so wird der optische Brechungsindex beeinflusst, das heißt, die Lichtgeschwindigkeit in einem der Arme ändert sich. Trifft bei der Zusammenführung der beiden Teilstrahlen (Lichtwellen) ein Wellenberg mit einem Wellental zusammen, so kommt es zur Auslöschung. Auch bei einer Halbleiterverbindung wie Galliumarsenid bliebe das Problem, wollte man allein mit elektrischer Spannung steuern.

 

Die Wissenschaftler am PDI umgehen die Schwierigkeit, indem sie in das Bauteil eine Art Mini-Schallquelle einbauen, die elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen umwandelt. Diese Schallwellen breiten sich auf dem Bauteil aus und beeinflussen den Brechungsindex. Durch eine geschickte Anordnung gelingt es, mit wenig akustischer Energie die Lichtgeschwindigkeit zu verändern. Anders als etwa Lithiumniobat eignet sich Galliumarsenid dazu, selbst Licht zu erzeugen; Halbleiter-Laserdioden sind Routine. Das MZI nach dem Prinzip des PDI könnte also auf einer winzigen Fläche Lichtquelle und Modulator vereinen und aus einem Stück gefertigt werden (monolithisch). Auf einen Chip von Daumennagelgröße würden mehrere Tausend Modulatoren passen.

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