Schnellere Datenübertragung durch Photodioden aus Graphen
Wiener Forscher setzen neue Photodioden ein, um die Daten aus Glasfaserkabeln extrem schnell computergerecht umzuwandeln. Intern genutzt könnten die neuen Sensoren auch die Leistung von Großrechnern erhöhen.
Die weltweite Datenübertragung könnte durch Graphen erheblich beschleunigt werden. Forschern der TU Wien ist es gelungen, Photosensoren aus Graphen mit einem Siliziumchip zu kombinieren. Dadurch werden die Daten aus Glasfaserkabeln beim Eintreffen an den Schnittstellen schneller in elektrische Signale umgewandelt.
Foto: Telefonica/O2
Gigantische Mengen an Informationen werden in Glasfaserkabeln mit Lichtgeschwindigkeit über große Entfernungen transportiert. Am Ende, also beispielsweise an der Schnittstelle zum Computer, landen die rasenden Bits in einer Engstelle, dem behäbig arbeitenden Wandler. Der wandelt die Lichtblitze in elektrische Signale um. Allerdings geht da einiges an Tempo verloren: Denn diese Photosensoren begrenzen die Übertragungskapazität.
Kombination von Photosensoren und Siliziumchip
Graphen könnte die Lösung sein, um die Umwandlung tüchtig zu beschleunigen. Das vielseitige Material, das aus einer einzigen Schicht von wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen besteht, ist Weltrekordler, wenn es um die Umwandlung von Licht in Strom geht, Photonen also in Elektronen konvertiert werden. Diese können dann von Mikroprozessoren in Computern weiterverarbeitet werden.
Durch einen dünnen Lichtwellenleiter (links) kommt das Signal, das im etwa 2 Mikrometer schmalen Graphen-Streifen in elektrischen Strom umgewandelt wird.
Quelle: TU Wien
An der Technischen Universität Wien ist es jetzt gelungen, Photosensoren aus Graphen mit einem Siliziumchip zu kombinieren. Vor zwei Jahren erkannte ein Team um Thomas Müller am Institut für Photonik, 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“, sagt Müller.
Die Wandler sind beinahe unvorstellbar klein. 20 000 dieser Sensoren passen auf einen Quadratzentimeter – so groß ist etwa der Fingernagel eines Daumens. Ebenso viele Lichtwellenleiter könnten theoretisch angeschlossen werden, um den Prozessor, der sich auf der gleichen Siliziumunterlage befindet, mit Informationen zu versorgen. Vor einer solchen Datenflut müsste der elektrisch arbeitende Chip allerdings kapitulieren.
Graphen wandelt jede Lichtfarbe um
Es gab bereits Versuche, Photosensoren aus anderen Werkstoffen wie Germanium in Chips zu integrieren. Das gelang, doch diese Wandler konnten nur Licht bestimmter Wellenlängen konvertieren. Der Graphen-Sensor schafft dagegen sämtliche Lichtfarben, die in der Datenübertragung genutzt werden.
Schnelligkeit und Kompaktheit von Lichtwandlern ist nicht nur am Ende von Langstrecken wichtig, sondern zunehmend auch in Hochleistungsrechnern. In Computern mit mehreren Prozessoren müssen gigantische Datenmengen verschoben werden. Mit Lichtwellenleitern ginge das schneller, wäre da nicht der Engpass Photosensor, der mit der Nutzbarmachung von Graphen aufgehoben wird. Damit steigt nicht nur die Rechenleistung. Auch der Energieverbrauch sinkt. Server heutiger Bauart wandeln so viel Strom in Wärme um, dass sie vereinzelt als Ersatz für Heizungen in Ein-Familien-Häusern genutzt werden.
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