Optoelektronik 27.02.2004, 18:28 Uhr

Intel schaltet Licht im Siliziumchip

VDI nachrichten, San Francisco, 27. 2. 04 -Optoelektronik für schnelle Glasfaserübertragung von Daten war bisher die Domäne exotischer und teurer Werkstoffe. Mit einem in Standard-Chiptechnologie realisierten optischen Schalter mit 1 GHz Frequenz will Intel jetzt den Weg zur siliziumbasierten Optoelektronik ebnen.

Forscher des weltgrößten Chipherstellers Intel veröffentlichten in der Februarausgabe der renommierten Zeitschrift Nature die Ergebnisse ihrer Arbeiten auf dem Gebiet der Optoelektronik: einen auf Standard-Silizium-Wafern erzeugten optischen Schalter, der es erlaubt, Licht mit einer Frequenz bis zu 1 GHz zu modulieren. „Wir haben die bisherigen Höchstfrequenzen für vergleichbare Schaltungen, die bei etwa 20 MHz lagen, um das 50fache übertroffen“, meinte Intels Chief-Technology-Officer Pat Gelsinger wenige Tage nach der Veröffentlichung auf dem Intel Developer Forum in San Francisco. Damit habe man einen wichtigen technologischen Durchbruch erreicht, die Vorteile der schnellen Datenübertragung per Glasfaser mit denen der preiswerten und hochvolumigen Chipfertigung auf Silizium zu verbinden. Und auch für die Datenleitungen innerhalb eines Computers, ja innerhalb eines Chips eröffnet die optische Technologie neue Möglichkeiten. Gelsinger: „Sie hat das Potenzial, um ein Vielfaches schnellere Hochleistungscomputer zu bauen und Anwendungen mit hoher Datenrate zu entwickeln, wie etwa extrem hochauflösende Displays oder optische Erkennungssysteme.“
Schon lange, so Mario Paniccia, Director des Photonic-Research-Labs bei Intel, nutze man die optischen Eigenschaften des Siliziums: Aufgrund seiner Bandstruktur ist es für Licht in Teilen des infraroten Spektrums durchsichtig. Folglich könne man mit Lichtstrahlen durch das Substrat hindurch die aktiven Schichten optisch inspizieren. Dabei stellte sich heraus, dass die elektrischen Vorgänge im Chip die Eigenschaften des Lichts beeinflussen. Dies führte nun konsequent zur Überlegung, gezielt auf die Lichtausbreitung im Silizium einzugreifen.
Grundsätzlich, so Paniccia, könne man einen Laserlichtstrahl auch ganz simpel durch Ein- und Ausschalten der Lichtquelle mit einem digitalen Signal beaufschlagen. Doch ergeben sich daraus thermische Probleme, die dann in Schwankungen der Wellenlänge u. ä. resultieren. Besser ist es also, einen konstanten Laser-Lichtstrom durch geeignete Methoden zu unterbrechen, und so die Modulation zu erreichen.
Intel nutzt dazu eine „klassische“ MOS-Struktur ähnlich einem Transistor, also Technologien der normalen Chipfertigung. Die Idee: Ein Lichtstrahl wird in zwei Strahlen entsprechend halbierter Intensität aufgeteilt. Jeder dieser Teilstrahlen wird durch eine MOS-Struktur geschickt, die je nach anliegender Spannung die Phasenlage des Lichtes beeinflusst. In Verbindung mit gezielten Laufzeitunterschieden wird so erreicht, dass die beiden Teilstrahlen entweder ohne Phasenverschiebung wieder aufeinander treffen, sich also in ihrer Amplitude addieren, oder genau 180° Phasenverschiebung auftritt, sie beim Zusammenführen sich also gegenseitig auslöschen. Auf dem IDF demonstrierte Gelsinger die Funktionsfähigkeit des Prinzips über einen 5 km langen Glasfaserstrang bis hin zu den angestrebten 1 GHz. Auch die Übertragung eines breitbandigen Videosignals zeigte die Möglichkeiten der Technologie.
Für Paniccia bedeutet diese Technologie, dass man Moore“s Law, jenes „Gesetz“, nach dem sich die Transistorzahl auf dem Chip alle 18 Monate verdoppelt, auch auf Bandbreiten optoelektronischer Komponenten übertragen kann.
In den Intel-Laboratorien setzt man sich einen Zeitrahmen von 5 bis 10 Jahren, um die Optoelektronik konsequent auf Silizium umzustellen. Paniccia: „Heute beruht die optische Signalübertragung noch vielfach auf Verbundhalbleitern.“ Diese sind aber exotische Materialien und entsprechend teuer in der Herstellung und Verarbeitung. Dagegen ist die Siliziumtechnologie in der Volumenfertigung sehr gut erforscht und die Kostenvorteile zeigen sich bei fast allen Produkten vom Mikroprozessor bis zum Speicherchip. Diese Wirtschaftlichkeit auch in die optischen Kommunikationstechnologien einzubringen, das ist erklärtes Ziel in den Intel-Labs.
Praktisch alle Komponenten sind in der jetzt demonstrierten Anordnung bereits in Silizium ausgeführt, die prinzipielle Machbarkeit also erwiesen. Paniccia: „Wir nutzen preiswerte Laser, können deren Licht im Siliziumchip mit Wellenleiterstrukturen lenken und verteilen.“ Herzstück ist dann der gezeigte Modulator, dessen transistorähnliche Struktur im normalen Chipherstellungsprozess erzeugt wird. Für die zum „Empfang“ nötigen Photodetektoren steht z. B. Silizium-Germanium (SiGe) als gut erforschtes Material zur Verfügung und die Intelligenz zur Auswertung stellen die klassischen Cmos-Schaltungen bereit. Und da sich Silizium auch sehr gut mechanisch strukturieren lässt, ist auch die Ankopplung der Glasfasern an den künftigen Chip leicht erreichbar. Paniccias Vision: ein Chip, auf dem mehrere Laser und optische Schalter sowie komplexe Schaltungen integriert sind.jdb

 

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