Die Nachrichtenübertragung durch Licht ist längst Alltag: Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter übertragen zum Beispiel Telefon- und Internetsignale. Auf dem Weg, die Vorteile von Licht, also Geschwindigkeit und Energieeffizienz, künftig auch im Kleinen, auf der Ebene von Computerchips, nutzen zu können, sind Forscher am KIT dank Grundlagenforschung einen wichtigen Schritt zur Anwendung vorangekommen. Durch die Einbindung winziger Kohlenstoffröhrchen in einen nanostrukturierten Wellenleiter haben sie ein kompaktes miniaturisiertes Schaltteil entwickelt, das elektrische Signale in klar definierte optische Signale wandelt.
„Die Nanostrukturen wirken wie ein photonischer Kristall und erlauben es, die Eigenschaften des Lichtes aus dem Röhrchen maßzuschneidern“, erklären Felix Pyatkov und Valentin Fütterling, die Erstautoren der Studie, die am Institut für Nanotechnologie des KIT forschen. „So können wir sehr schmalbandiges Licht in der gewünschten Farbe auf dem Chip erzeugen.“ In welcher Wellenlänge
das Licht weitergeleitet wird, ist durch die Bearbeitung des Wellenleiters präzise definiert: Durch die Gravur mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithografie erhält der einige Mikrometer lange Wellenleiter feinste Hohlräume von einigen Nanometern Größe, die seine optischen Eigenschaften bestimmen. Der so entstandene photonische Kristall reflektiert das Licht in bestimmten Farben, ein Phänomen, das in der Natur auf bunt erscheinenden Schmetterlingsflügeln beobachtet werden kann.
Als neuartige Lichtquellen werden Kohlenstoffnanoröhrchen von rund einem Mikrometer Länge und einem Nanometer Durchmesser quer zum Wellenleiter auf Metallkontakte positioniert. Am KIT wurde ein Prozess entwickelt, mit dem es möglich ist, die Nanoröhrchen gezielt in hochgradig komplexe Strukturen zu integrieren. Dabei nutzten die Forscher das Verfahren der Dielektrophorese, um zu erreichen, dass sich die im Durchmesser etwa einen Nanometer - ein millionstel Millimeter - großen Kohlenstoffröhrchen aus einer Lösung abscheiden und senkrecht zum Wellenleiter anordnen. Diese ursprünglich aus der Biologie stammende Möglichkeit zur Separation von Partikeln mithilfe inhomogener elektrischer Felder eignet sich gut, um nanoskalige Objekte auf Trägermaterialien abzulegen. Die direkt in den Wellenleiter eingebrachten Kohlenstoff-Nanoröhrchen fungieren als winzige Lichtquelle, da sie Photonen erzeugen, wenn elektrische Spannung angelegt wird.
Der nun vorgestellte kompakte Strom-Licht-Signalwandler erfüllt nach Angaben der Forscher die Anforderungen für die nächste Generation von Computern, die elektronische Komponenten mit nanophotonischen Wellenleitern verbinden. Der Signalwandler bündelt das Licht fast so stark wie ein Laser und spricht mit hoher Geschwindigkeit auf variable Signale an. Bereits jetzt lassen sich mithilfe der von den Forschern entwickelten opto-elektronischen Bauelemente aus elektrischen Signalen Lichtsignale im Giga-Hertz-Frequenzbereich erzeugen.
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