Lichtschaltungen im Miniaturformat

Marc Reig Escalé und seine Kollegen vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich haben mit ihrem neuartigen Chip nun einen Weg gefunden, dieses Aufprägen von Informationen sehr viel effizienter zu gestalten als das bisher möglich war. Die Idee ist es, für die winzigen Schaltstellen die jeweilig besten bekannten Materialien aus Optik und Mikroelektronik zu vereinen. Da wäre zunächst Silizium, der wichtigste Grundstoff der Computerindustrie und Namensgeber des Silicon Valley. Als Halbleiter eignet es sich hervorragend für den Bau elektrischer Schaltkreise, wie man sie auf Chips in Rechnern oder Handys findet. Als Kristall wird Silizium auch in optischen Chips verwendet, um Lichtwellen zu übertragen. Das hat praktische Vorteile, weil die Herstellung im Miniaturformat schon aus der Mikroelektronik bekannt ist.

Doch für optische Zwecke ist Silizium bei Weitem nicht die beste Wahl. Dort bringt das sogenannte Lithiumniobat sehr viel günstigere Eigenschaften mit sich, denn es kann zum Beispiel mit einer grossen Spanne von verschiedenen Lichtfrequenzen arbeiten. Ein wichtiger Effekt für die Datenverarbeitung: Das kristalline Material vermag die Intensität einfallenden Lichtes zu verändern, je nachdem, welche elektrische Spannung man von aussen anlegt. Elektrische Signale lassen sich so mit Höchstgeschwindigkeit in optische Signale umwandeln – genau das, was für das «Beladen der LKWs», die auf die Datenautobahnen geschickt werden, benötigt wird.

Bislang sind diese Umwandler aus Lithiumniobat jedoch noch so gross, dass sie viel Energie verbrauchen. Reig Escalé konnte jedoch auf eine Technik zurückgreifen, die zu Beginn des Jahrtausends an der ETH Zürich entwickelt wurde, um extrem dünne Schichten von Lithiumniobat auf den bekannten Silizium-​Chips aufzubringen. Mit verschiedenen Ätzverfahren gelang es dem Physiker, feine Strukturen aus dieser Kristallschicht zu schälen, in die man Laserlicht einspeisen kann. Gepaart mit zierlichen Gold-​Elektroden lassen sich so elektrische Signale sehr effizient in optische übersetzen. Das austretende Laserlicht enthält die Informationen, die zuvor in elektrischer Form an die Elektroden geschickt worden waren. «Mit unseren Chips verbrauchen wir weniger Energie und können mindestens doppelt so schnell Signale verarbeiten wie die kommerziellen Alternativen, die es im Moment gibt», erklärt der Forscher aus dem Labor von ETH-​Professorin Rachel Grange. Bildlich gesprochen bedeutet das, dass ein einzelner Chip mehr LKWs pro Zeiteinheit beladen und damit als Umschlagplatz sehr viel mehr Datenautobahnen gleichzeitig bedienen kann.