ETH baut Chip für Datenübertragung mit Licht

Forschende am Institut für elektromagnetische Felder (Institute of Electromagnetic Fields; IEF) der ETH Zürich haben geschafft, woran seit rund 20 Jahren geforscht wird: Im Rahmen europäischer Horizon-2020-​Forschungsprojekte haben sie im Labor einen Chip hergestellt, auf dem sich schnelle elektronische Signale direkt in superschnelle Lichtsignale umwandeln lassen, und zwar so, dass dabei praktisch keine Signalqualität verloren geht. Bedeutsam ist dieser Durchbruch für die Leistungsfähigkeit optischer Kommunikationsinfrastrukturen, die Daten mit Licht übertragen. Dazu gehören zum Beispiel Glasfasernetze.

Schon heute ermöglichen solche Glasfasernetze in Städten wie Zürich schnelles Internet, digitales Telefonieren, Fernsehen und netzbasierte Film-​ oder Audiodienste (sogenanntes Streaming). Bis zum Ende dieses Jahrzehnts könnten jedoch auch diese optischen Kommunikationsnetze bei der schnellen Datenübertragung an Grenzen stossen.

Die Gründe dafür sind die steigende Nachfrage nach Online-​Diensten für Streaming, Speicherung und Rechenleistungen sowie das Aufkommen von künstlicher Intelligenz und 5G-​Netzwerken. Heute erzielen optische Netze Datenübertragungsraten im Bereich von Gigabits (10⁹) pro Sekunde. Die Grenze liegt bei 100 Gigabits pro Leitung und Wellenlänge. In Zukunft werden hingegen Übertragungsraten im Bereich von Terabits (10¹²) benötigt.

«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: Zusammen mit Partnern in Deutschland, den USA, Israel und Griechenland konnten sie im Experiment die elektronischen und lichtbasierten Bauelemente zum ersten Mal auf ein und demselben Chip zusammenfügen. Technisch ist dieser Schritt gross, denn bis heute muss man diese Bauelemente getrennt voneinander auf je eigenen Chips herstellen und anschliessend über Drähte miteinander verbinden.

Das hat Folgen: 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.