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An der TU Wien wird erforscht, welche technologischen Möglichkeiten
Graphen bietet. Nun gelang es, Graphen-Lichtdetektoren mit gewöhnlichen Halbleiterchips zu kombinieren.
Wien (tu) - Information wird heute meist in Form von Licht übertragen – etwa in Glasfaserkabeln. Unsere
Computerchips allerdings arbeiten elektronisch. Irgendwo zwischen optischem Daten-Highway und elektronischem Computerchip
müssen also mit Hilfe von Licht-Detektoren Photonen in Elektronen konvertiert werden. An der TU Wien ist es
nun gelungen, einen Graphen-Photodetektor direkt mit einem herkömmlichen Silizium-Chip zu kombinieren. Damit
lässt sich Licht aus allen wichtigen Telekommunikations-Frequenzen in elektrische Signale umwandeln. Die Forschungsergebnisse
werden nun im Fachjournal „Nature Photonics“ präsentiert.
Computer-Power aus Kohlenstoff?
Sowohl Forschung als auch die Industrie setzen große Hoffnungen in Graphen. Das Material, das aus einer einzelnen
Schicht von sechseckig angeordneten Kohlenstoff-Atomen besteht, hat ganz besondere Eigenschaften. Schon vor zwei
Jahren erkannte das Team rund um Thomas Müller am Institut für Photonik der TU Wien, dass sich Graphen
bestens eignet, um aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen. „Es gibt viele Materialien, die Licht in elektrische
Signale umwandeln können. Graphen erlaubt aber eine ganz besonders schnelle Konversion“, erklärt Thomas
Müller. Will man also große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen, wird man in Zukunft wohl auf
Graphen zurückgreifen.
Vom Beweis, dass sich das Material grundsätzlich dafür eignet bis zur Verwendung im Chip war es ein weiter
Weg – doch nun ist es tatsächlich gelungen, einen Graphen-Photodetektor in einen Chip einzubauen. Neben dem
Team der TU Wien war auch die Johannes Kepler Universität Linz an dem Projekt beteiligt.
„Ein dünner Lichtwellenleiter mit einem Querschnitt von etwa 200 mal 500 Nanometern leitet das optische Signal
auf dem Silizium-Chip zu einer Graphen-Schicht. Diese wandelt das Licht in ein elektrisches Signal um, das dann
direkt im Chip weiterverarbeitet werden kann“, erklärt Thomas Müller.
Vielseitig und kompakt
Es gab bereits Versuche, Photodetektoren aus anderen Materialien – etwa Germanium – direkt in Chips zu integrieren.
Allerdings können diese Materialien nur Licht eines engen Wellenlängenbereiches verarbeiten. Wie das
Forschungsteam zeigen konnte, kommt Graphen mit allen Licht-Wellenlängen, die heute in der Datenübertragung
verwendet werden, gleichermaßen zurecht.
Der Graphen-Photodetektor ist nicht nur extrem schnell, er kann auch extrem kompakt gebaut werden. Auf einem Chip
von einem Quadratzentimeter lassen sich 20.000 solcher Detektoren unterbringen – damit könnte man den Chip
theoretisch über 20.000 verschiedene Informationskanäle mit Daten versorgen.
Mehr Geschwindigkeit, weniger Stromverbrauch
„Wichtig sind solche Technologien nicht nur für die Übermittlung von Daten über weite Strecken.
Auch innerhalb von Computern gewinnt optische Datenübertragung an Bedeutung“, erklärt Thomas Müller.
Wenn Großrechner mit vielen Prozessorkernen gleichzeitig arbeiten, muss viel Information zwischen diesen
Kernen ausgetauscht werden. Wenn man mit Graphen ultraschnell zwischen elektrischem Strom und Licht wechseln kann,
dann lassen sich diese Daten optisch übertagen. Das bringt mehr Geschwindigkeit und senkt den Energiebedarf.
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