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25.02.2015 11:36

Schneller und kostengünstiger: Neuartige Kommunikationslaser sollen Datenflut in Rechenzentren bewältigen

Ein Forschungsteam der Universität Kassel entwickelt einen neuartigen Quantenpunkt-Laser mit. Er soll preiswerter als herkömmliche Halbleiter-Laser sein, viermal mehr Daten als bisher möglich übertragen, in Rechenzentren Energiekosten sparen und längere Übertragungsdistanzen erreichen.

Wafer in einem Waferhalter. Foto: Uni Kassel.

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. 

Derzeit bewältigen die für den Datentransport in Rechenzentren eingesetzten Übertragungssysteme maximal 100 Gigabit pro Sekunde pro Glasfaser. Dieses Tempo hält mit der rasant wachsenden Datenflut im Internet nicht mit, und das erhöht die Kosten erheblich: Internetdienstleister schalten in ihren Rechenzentren viele Tausend Server mit riesigen Kabelsträngen in so genannten Racks zusammen, die so groß wie Fußballfelder sein können. Die an den Datenpunkten eingesetzte Elektronik (inklusive der Laser) benötigt viel elektrischen Strom. „Ein Rechenzentrum kann in Zukunft so viel verbrauchen wie ein halbes Atomkraftwerk“, sagt Prof. Reithmaier. Außerdem erzeugen diese Laser viel Wärme. Das System muss aufwendig gekühlt werden. Energiesparende Innovationen sind deshalb unabdingbar, um das Wachstum von Internetanwendungen nicht zu begrenzen. 

Silizium statt Indiumphosphit

Die Kasseler Forscher optimieren im Rahmen des Projekts nanotechnisch die Architektur der Halbleiterlaser, reduzieren ihren Energiebedarf sowie ihre Wärmeabstrahlung und ersetzen die sehr teuren Halbleitermaterialien wie beispielsweise Indiumphosphit weitgehend durch das vergleichsweise preiswerte Silizium.

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 Prof. 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. 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“, sagt Reithmaier.

Bild (Foto: Uni Kassel) unter: 

Kontakt:

Prof. Dr. Johann Peter Reithmaier
Universität Kassel
Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik
Fachgebiet Technische Physik
Tel.: 0561 804-4430
E-Mail: teph-sekretariat@ina.uni-kassel.de