Gezählte Lichtteilchen: Forscher bauen weltweit effektivsten Photodetektor

Das filigrane Nachweisgerät, das günstig aus Silizium fabriziert werden kann, soll zu einer Vervielfachung der Datenrate in Glasfasernetzwerke führen

Areal aus Lichtsensoren
Areal aus Lichtsensoren

Santa Clara (USA) - Je besser sich einzelne Lichtteilchen nachweisen lassen, desto effizienter können digitale Daten über Glasfasernetze geleitet werden. Dieses Ziel im Blick haben nun Wissenschaftler des Chipherstellers Intel einen neuen Rekord für einen Lichtdetektor aufgestellt. Mit einem winzigen Modul aus Silizium und Germanium steigerten sie die Empfindlichkeit bisherige Photodetektoren fast um das Dreifache. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature Photonics" berichten, könnte der Prototyp zudem zu 20- bis 30-mal günstigeren Lichtteilchenzählern führen und die Nutzung des optischen Datentransports weiter verbreiten.

"Das ist das erste Mal, dass ein Modul aus Silizium eine bessere Performance zeigt als Detektoren auf der Basis von III-V-Materialien", sagt Mario Paniccia vom Intel-Photonik-Labor im kalifornischen Santa Clara. Dies ist von großer Bedeutung, da sich Detektoren auf Siliziumbasis mit dem verfügbaren Wissen in den Chipfabriken sehr viel günstiger produzieren lassen als Module aus den so genannten III-V Verbindungshalbleiter wie beispielsweise Indiumphosphid. Liegen die Kosten pro Stück derzeit bei 200 bis 300 Dollar, ließen sie sich wahrscheinlich auf weniger als 10 Dollar senken.

Für den neuen Empfindlichkeitsrekord beschichteten die Forscher einen Träger aus Silizium mit lithographischen Methoden mit einer etwa einen millionstel Meter dünnen Lage aus Germanium. Trifft nun ein Lichtteilchen auf die Oberfläche, wird es eingefangen und erzeugt im Silizium eine Lawine aus Elektronen. Über diesen Verstärkungseffekt entsteht ein messbarer Stromfluss, über den die digitalen Daten weiter verarbeitet werden können. Die Forscher testeten ihren Photodetektor mit infraroten Lichtwellen, die in den weltweiten Glasfasernetzen zur optischen Datenübertragung genutzt werden. Nach Schätzungen der Forscher könnte die Rekordempfindlichkeit von 340 Gigahertz zu gesteigerten Transferraten von mindestens 40.000 Megabit pro Sekunde und Glasfaser (40Gbps) führen.

Doch nicht nur das globale Datennetz könnte von dieser Erfindung profitieren. So arbeiten alle namhaften Chipentwickler an Photonik-Chips, mit denen in Zukunft auch Computer Daten über Lichtteilchen sehr viel schneller verarbeiten sollen als heute mit Elektronen. Auf diesem Entwicklungsweg haben die Intel-Forscher schon filigrane Laser auf Siliziumbasis konstruiert. Zusammen mit Glasfasern, photonischen Kristallen und hochempfindlichen Lichtdetektoren stehen im Prinzip alle wichtigen Bauteile zur Verfügung, um in den kommenden Jahren erste rasante Lichtcomputer zu bauen.