Quantenpunkt-Laser treibt Daten effizient durch die Glasfaser

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Manche Rechenzentren sind wahre Dinosaurier. Riesig, mit hohem Energieverbrauch und einer behäbigen Datenübertragung. Nun soll ein Quantenpunkt-Laser die Daten preiswerter, energieeffizienter und vor allem schneller übertragen. Greifbar nah sind 400 Gigabit pro Sekunde über eine einzige Glasfaser.

Die 100 Gigabit pro Sekunde, mit der pro Glasfaser Daten in modernen Rechenzentren transportiert werden, genügen nicht mehr den Ansprüchen unserer Informationsgesellschaft. Die derzeit eingesetzten Übertragungssysteme halten nämlich mit der rasant wachsenden Datenflut im Internet nicht mehr mit. Die Folgen: Der Energieverbauch treibt die Kosten in die Höhe. Denn Internetdienstleister schalten in ihren Rechenzentren viele Tausend Server mit riesigen Kabelsträngen in so genannten Racks zusammen, die so groß wie Fußballfelder sein können. Und dafür an den Datenpunkten eingesetzte Elektronik (inklusive der Laser) benötigt viel elektrischen Strom.

„Ein Rechenzentrum kann in Zukunft so viel verbrauchen wie ein halbes Atomkraftwerk“, rechnet Professor Johann Peter Reithmaier vom Fachgebiet Technische Physik der Universität Kassel vor. Und weil die bisher eingesetzten Laser viel Wärme erzeugen, muss das System aufwendig gekühlt werden. Dort setzen die Kasseler Forscher an und optimieren im Rahmen des Projekts nanotechnisch die Architektur der Halbleiterlaser. So reduzieren sie nicht nur den Energiebedarf sowie die Wärmeabstrahlung. Sie ersetzen die sehr teuren Halbleitermaterialien wie beispielsweise Indiumphosphit weitgehend durch das vergleichsweise preiswerte Silizium.

Elektrische Energie effizient in Licht umwandeln

Halbleiterlaser funktionieren, indem sie elektrische Energie besonders effizient in Licht umwandeln. Durch die Modulation von Bandbreite, Stärke und Länge der ausgestrahlten Lichtwellen lassen sich Daten in großer Menge übertragen. Diese Modulation wird im Wesentlichen durch eine besondere nanoskopische Struktur aus Halbleitermaterial gesteuert. In diesen sogenannten, nur maximal 20 Nanometer großen, Quantenpunkten werden elektrische Ladungsträger gewissermaßen „gefangen“ und zur Lichtaussendung gezwungen.

„Je mehr Quantenpunkte man erzeugt und je geringer die Größenabweichungen sind, desto größere Übertragungsgeschwindigkeiten und Modulationsbreiten erreicht man. In dem für die Langstreckenübertragung wichtigen Wellenlängenbereich von 1,5 Mikrometern sind wir momentan weltweit führend“, erklärt Reithmaier. Durch das Stapeln von wenige Nanometer dicken Schichten aus Halbleitermaterial erzielt sein Forscherteam komplexe und homogene Strukturen, die Milliarden unterschiedlich großer Quantenpunkte enthalten, und das auf einem nur wenige Quadratmillimeter großen Chipsatz.

400 Gigabit pro Sekunde über eine einzige Glasfaser

Die Verwendung von winzigen Siliziumscheiben, statt eines teureren Halbleitermaterials als Substrat, stellt die Forscher vor besondere Herausforderungen. „Silizium ist optisch tot“, sagt Reithmaier. Die Forschungsverbund-Partner haben jedoch ein Verfahren entwickelt, bei dem das optisch aktivierbare Halbleitermaterial separat hergestellt wird und hauchdünn mit dem sogenannten „Molecular Bonding“ auf Silicium übertragen werden kann. Die Verbindungsfläche muss völlig glatt sein. Die Unebenheiten müssen weniger als 0.5 Nanometer betragen, wenn das funktionieren soll. „Dieses Bonding müssen wir noch besser in den Griff bekommen“.

Im Rahmen des mit 3,3 Millionen Euro von der EU geförderten und auf drei Jahre angelegten Verbund-Forschungsprojekts Sequoia wird das Team unter Leitung von Prof. Dr. Johann Peter Reithmaier vom Fachgebiet Technische Physik der Universität Kassel bis Ende 2016 mit Partnern aus Frankreich und Dänemark zwei Demonstratoren bauen, die eine Datenmenge von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde in einer einzigen Glasfaser übertragen und Lichtwellen – das Datentransportmedium – in größerer Bandbreite und exakter modulieren können. 590.000 Euro fließen für diese Forschung nach Kassel.