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Ultraschnelle Licht-Detektoren entwickelt

10.02.1999 - (idw) Forschungszentrum Jülich

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben einen Silizium-Detektor entwickelt, der über Glasfaserkabel transportierte Lichtblitze schneller in elektrische Signale umwandeln kann als alle bisherigen Silizium-Detektoren. Das sichert der Glasfasertechnik, momentan für die Fernkommunikation ge-nutzt, in Zukunft die Anwendung im Local-area-Bereich: von Haus zu Haus, von Computer zu Computer, von Chip zu Chip.

Zugegeben: Täglich werden weltweit viele tausend Kilometer Kupferkabel für die Datenübertragung installiert. Doch die Zukunft gehört der Glasfaser. Bereits heute werden pro Tag Glasfaserkabel einer Länge verlegt, die dem zweifachen Erdumfang entspricht - Tendenz steigend. Für zwei Milliarden Dollar jährlich lassen vornehmlich Kommunikationsunternehmen lichtleitende Kabel verlegen. Hinzu kommen die Ko-sten für die Laser am Anfang und die "Lichtleser" am Ende der Leitung. Die Licht-wandler heißen in der Fachsprache "Detektoren". Sie setzen die Lichtblitze, die die Laserkanone durch den Glasfaserstrang schießt, in elektrische Signale um.

Von Kontinent zu Kontinent funktioniert diese Art der Datenautobahn ausgezeichnet. Damit das Kabel selbst, das aus reinstem Siliziumdioxid besteht, möglichst wenig Licht verschluckt, schicken die Laser Pulse einer Wellenlänge von 1300 oder 1550 Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel mm) - das heißt im Infrarot-Bereich - durch das transparente Kabel. Für den Datentransfer in sogenannten Local-area-Netzen, zum Beispiel innerhalb eines Gebäudes, ist der Einsatz dieser Wellenlänge jedoch zu kostenintensiv. Für Wellenlängen von 850 Nanometer gibt es hingegen besonders preiswerte Laser. "Sichtbares Licht - bei Wellenlängen unter circa 760 Nanometer - hat den zusätzlichen Vorteil, daß es sicherer für die Augen ist, weil es direkt, also ohne Instrumente, wahrgenommen werden kann. Auch die optische Polymerfaser-technik funktioniert besonders gut im roten sichtbaren oder nah-infraroten Bereich", sagt Professor Christoph Buchal vom Jülicher Institut für Schicht- und Ionentechnik. Die Laser der CD-Player arbeiten ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich.

Die Besonderheit des Jülicher Lichtwandlers besteht vor allem darin, daß er auf dem Halbleitermaterial Silizium (Si) basiert und schneller ist als alle bisherigen Silizium-Detektoren. "Derartige Lichtsensoren helfen die Technologielücke zwischen der Sili-zium-dominierten Mikroelektronik und der Optoelektronik zu schließen", erläutert Professor Buchal. Optoelektroniker bevorzugen normalerweise Halbleiter, die aus Atomen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems der Elemente aufge-baut sind, zum Beispiel aus Gallium und Arsen. Die sogenannten III/V-Halbleiter re-agieren empfindlicher auf Licht als Silizium (Si). Zwar gibt es auch elektronische Komponenten aus III/V-Halbleitern. In Radaranlagen zum Beispiel werden sie einge-baut. Sie sind aber sehr viel teuerer als Siliziumchips. Die Bestrebungen gehen also dahin, optoelektronische Bauteile, wie zum Beispiel Mini-Laser und Photodetektoren, trotz der weniger guten optischen Kenngrößen aus Silizium zu bauen und ihre "Le-segeschwindigkeit" zu erhöhen. Hierzu entwickelten die Jülicher Physiker ein neues Detektor-Design mit einer neuen Anordnung der Elektroden.

Bei den herkömmlichen Si-Detektoren greifen die beiden Elektroden, zwischen de-nen bei Auftreffen eines Lichtblitzes Strom fließt, wie die Finger zweier Hände inein-ander. Es ist jedoch teuer und technisch schwierig, den Abstand der beiden Elektro-den auf etwa 100 Nanometer (0,000 1 mm) zu drücken, damit die Ladungsträger schneller fließen können. Deshalb entwickelte das Team um Professor Buchal eine Art "Sandwich"-Struktur, bei der eine der beiden Metall-Elektroden "unten" liegt. Auf diese wird eine dünne Silizium-Schicht gedampft, und als dritte Schicht wird obenauf die zweite Elektrode plaziert. Letztere ist lichtdurchlässig. So kann der Lichtblitz durch die erste Elektrode "hindurchgehen" und in der Siliziumschicht die gewünschte Anregung der Elektronen bewirken, die zum Stromfluß zwischen den beiden Elektro-den führt.

Die ultraschnellen Detektoren, die so klein sind, daß man sie mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen vermag, können noch Lichtblitze mit Pulsraten von über 100 Giga-hertz in elektrische Signale umwandeln. "Das ist für Silizium-Detektoren ein Rekord-ergebnis", betont Professor Buchal. Übrigens gelang auch die knifflige Ankopplung des neuen Blitz-Detektors ans Glasfaserkabel. Und: Der Lichtwandler auf Silizium-basis läßt sich aufgrund seines Materials problemlos auf einem Silizium-Wafer pla-zieren - ein wichtiger Vorteil, für den die Entwicklungsingenieure der Mikroelektronik äußerst dankbar sind. - tgt -

(Farb-Abbildung im Internet abrufbar)

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