Plasmonic Internal Photoemission Detector (PIPED)

KIT-Forscher schrumpfen Photodetektor

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Andreas Donner

Die Lösung nutzt hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen an metallisch-dielektrischen Grenzflächen, um Optik und Elektronik auf kleinstem Raum zu vereinen.
Die Lösung nutzt hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen an metallisch-dielektrischen Grenzflächen, um Optik und Elektronik auf kleinstem Raum zu vereinen. (Bild: KIT)

Einen ultrakompakten Photodetektor haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der ETH Zürich vorgestellt. Das PIPED getaufte Konzept tauge nicht nur für optische Anwendungen, sondern auch als Schlüsselkomponente für die drahtlose Datenübertragung.

Der „Plasmonic Internal Photoemission Detector“ – kurz: PIPED – ist hundert Mal kleiner als ein konventioneller Photodetektor und könne daher mit elektronischen Komponenten auf ein und demselben CMOS-Chip integriert werden. Projektkoordinator Prof. Manfred Kohl vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT erläutert: „Die Einführung neuartiger plasmonischer Bauelemente für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Information zwischen elektronischen Chips im Rechner bietet technische Möglichkeiten, die die Vorteile elektronischer und optischer Bauelemente verbinden und dies bei vergleichbarer oder besserer Übertragungsgeschwindigkeit“.

Optische und Drahtlose Anwendungen

Experimentell haben die Forscher bereits Datendurchsätze von 40 Gbit/s erreicht. Die Wissenschaftler betrachten das PIPED-Konzept als wesentlich für zukünftige optische Datenübertragungssysteme. Der Ansatz könne auch eine Schlüsselkomponente für die drahtlose Datenübertragung darstellen. Professor Christian Koos vom KIT, Sprecher der Helmholtz International Research School of Teratronics (HIRST), erläutert: „Plasmonische Bauteile könnten in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation Verwendung finden und dort Übertragungsraten bis zu 1 Terabit pro Sekunde möglich machen.“

Funktionsweise im Detail

Den Wissenschaftlern zufolge nutzt der leistungsstarke Photodetektor sogenannte Oberflächen-Plasmon-Polaritonen, hochkonzentrierte elektromagnetische Wellen an metallisch-dielektrischen Grenzflächen, um Optik und Elektronik auf kleinstem Raum zu vereinen. Physiker Sascha Mühlbrandt vom KIT geht ins Detail: „Diese neue Klasse der plasmonischen Wandler beruht auf dem Mechanismus, durch den der Photostrom erzeugt wird, nämlich der direkten Signalwandlung an metallischen Grenzflächen bei optischen Frequenzen. Dieser Prozess ist bekannt als interne Photoemission“. Um die Absorption von Licht und dessen Umwandlung in elektrische Signale effizient zu gestalten, würden Ladungsträger an einem Titan-Silizium-Übergang erzeugt und an einem weiteren Gold-Silizium-Übergang aufgenommen. Die hohe Geschwindigkeit erreiche der Detektor durch seine spezielle Geometrie: Die beiden Metall-Silizium Übergänge sind weniger als 100 Milliardstel Meter voneinander entfernt.

Interessierte können sich im Fachmagazin Optica (DOI: 10.1364/OPTICA.3.000741) noch tiefgründiger mit der Materie beschäftigen. Der Artikel „Silicon-plasmonic internal-photoemission detector for 40 Gbit/s data reception“ ist als PDF verfügbar.

Kontext, Forschungsgelder und Unterstützung

Entwickelt wurde der Photodetektor im Zuge des Projekts NAVOLCHI (Nano Scale Disruptive Silicon-Plasmonic Platform for Chip-to-Chip Interconnection). Das KIT wurde im 7. EU-Forschungsrahmenprogramm auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologien während der dreijährigen Projektlaufzeit mit rund 500.000 Euro gefördert.

Gefördert und unterstützt wurde die Forschung an PIPED auch durch den ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats EnTeraPIC, durch die am KIT angesiedelte Helmholtz International Research School for Teratronics (HIRST), an der die Disziplinen Physik, Elektrotechnik, Informatik und Maschinenbau zusammenarbeiten, sowie durch die Hochtechnologieplattform „Karlsruhe Nano-Micro-Facility“ (KNMF) am KIT.

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