Extrem klein und rasend schnell: Pro Sekunde 40 Milliarden Signale umwandeln
Durch verstärkten Einsatz von Lichtwellenleitern lässt sich der Energieverbrauch von Computern entscheidend verringern. Mit einem neuen Bauteil kann dieses Ziel jetzt erreicht werden.
Großrechner verbrauchen jede Menge Strom. Und auch Wärme geht ungenutzt verloren. Karlsruher Forscher haben einen Mikrowandler entwickelt, der elektrische in optische Signale umwandelt. Dadurch werden die Rechner schneller und Leitungsverluste vermieden.
Foto: dpa
In leistungsfähigen Computern, die Myriaden von Bits in Lichtwellenleiter einspeisen, um sie rund um den Erdball zu jagen, geht es heiß her. Nicht nur die Mikroprozessoren schlucken eine Menge Strom, auch auf den Leitungen zwischen ihnen geht einiges in Form von Wärme verloren. Zumindest das ließe sich einsparen, wenn Datenverbindungen innerhalb von Computern statt aus Kuper aus Lichtwellenleitern bestünden. Dazu wäre es nötig, die elektrischen Daten in optische umzuwandeln und umgekehrt. Und das in einer atemberaubenden Geschwindigkeit. Zudem müssten diese Wandler sehr klein sein.
Beides ist jetzt am Karlsruher Institut für Technologie gelungen. Der Wandler, der elektrische in optische Signale umwandelt, ist ganze 29 Mikrometer (ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter) groß und wandelt in jeder Sekunde 40 Milliarden optische und elektrische Signale um und umgekehrt. „Dadurch lassen sich Geschwindigkeitsvorteile erzielen, aber vor allem Leitungsverluste vermeiden“, sagt Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Leuthold leitete die Arbeitsgruppe in Karlsruhe, ehe er vor knapp einem Jahr in die Schweiz wechselte.
Auf eine Lichtwelle (o .li.) prägt der Wandler (gelb) aufgrund der angelegten Spannung digitale Bits auf (u. re.). So werden elektrische zu optischen Signalen. (
Quelle: A. Melikyan/KIT
Der Wandler besteht aus zwei Elektroden aus Gold, die einen Zehntel Millimeter voneinander entfernt sind. In dem Spalt befindet sich ein Kunststoff, dessen Brechungsindex sich ändert, wenn zwischen den Goldelektroden eine elektrische Spannung anliegt. Lichtwellenleiter koppeln Licht in den Spalt ein. Ein zweiter Lichtwellenleiter an der gegenüberliegenden Seite fängt die Lichtsignale auf. Die Spannung zwischen den Elektroden, die sich rasend schnell ändert, sorgt dafür, dass sich die Wellenform des eingekoppelten Lichtstrahls verändert. Dieser Wechsel ist gewissermaßen der optische Gegenpart zu den elektrischen Signalen.
Herstellung mit etablierter Technik
Der Wandler nutzt das im Breitbandglasfasernetz übliche Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1480 bis 1600 Nanometer und zeigt bei Temperaturen bis 85 Grad Celsius keine Betriebsabweichung. Er lässt sich mit weit verbreiteten Verfahren aus der Mikroelektronik herstellen. Derzeit werden in Deutschland rund zehn Prozent des Stromes durch Informations- und Kommunikationstechnologien verbraucht, etwa von Computern und Smartphones, vor allem aber von den Servern in großen Rechenzentren. Da der Datenverkehr exponentiell anwächst, bedarf es neuer Ansätze, die den Durchsatz steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch dämpfen.
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