Silicon Photonics & Graphen: Glasfaser-Switches mit 98 Prozent weniger Energiebedarf

Optische Netze sind für größere Rechenzentren unverzichtbar. Graphen soll vollständig optische Switches günstig und effizient machen.

Artikel veröffentlicht am 18. Juli 2022, 14:03 Uhr, Johannes Hiltscher

Lediglich eine Atomlage ist das Heizelement dick, das das magentafarbene PCM in der Mitte erwärmt. Links und rechts die Kontakte für das Heizelement. (Bild: Zhuoran Fang)

Optische Netzwerke sind in Rechenzentren allgegenwärtig, für Quantencomputer haben sie gar eine zentrale Bedeutung bei der Verschränkung von Quantenzuständen. Eine wichtige Komponente, der Netzwerk-Switch, ist allerdings mit Licht aufwendig zu realisieren. Mit Halbleiterfertigung, Graphen und Phasenwechsel-Material (Phase-Change Material, PCM) wollen Forscher der University of Washington eine günstige und energieeffiziente Variante herstellen.

Die Innovation dabei ist nicht die Fertigung optischer Switches aus Silizium mit gängigen Prozessen zur Halbleiterfertigung. Auch PCMs gehören hier zum gängigen Repertoire, die erste Veröffentlichung stammt aus dem Jahr 2006 (PDF). Die Neuerung ist das Graphen, das die zum Umschalten des Switches benötigte Energie deutlich reduziert. Das zentrale Problem ist nämlich das Erhitzen des PCM, um es vom kristallinen in den nicht-kristallinen (amorphen) Zustand zu überführen und umgekehrt.

Graphen hat als Heizelement einen besonderen Vorteil: Da es lediglich eine Atomlage dick ist, wird wesentlich weniger Material erhitzt als mit anderen Ansätzen. Im Zusatzmaterial (PDF) zur Veröffentlichung in Nature Nanotechnology vergleichen die Forscher ihre Ergebnisse mit denen anderer Gruppen.

Energiebedarf sinkt auf ein Siebzigstel

Bei den meisten vorherigen Ansätzen wird das PCM indirekt aufgeheizt, um seinen Zustand zu ändern. Explizit erwähnt wird ein Ansatz mit Pin-Diode - hier muss der gesamte, aus Silizium gefertigte Wellenleiter im Bereich des PCM erhitzt werden.Die Graphen-Lösung benötigt lediglich ein Siebzigstel der Energie des Dioden-Ansatzes.

Das Manuskript (PDF) zeigt, dass zum Erhitzen des 10 nm starken PCM zuvor ein 220 nm hoher Berg aus Silizium aufgeheizt werden muss. Dadurch ist das zu erwärmende Volumen wesentlich größer als das des PCM, entsprechend wird ein Vielfaches der Energie benötigt, die den Phasenwechsel auslöst.

Um das PCM effizient zu erhitzen, muss es direkt auf dem Heizelement liegen. Das allerdings stellt ein Problem dar: Das Heizelement muss für Licht transparent sein, damit dieses in den anderen Wellenleiter gelangen kann. Die sind beim verwendeten Fertigungsprozess nämlich übereinander angeordnet - mit dem PCM in der Mitte. Da Graphen allerdings lediglich eine Atomlage dick ist, behindert es das Licht kaum.

Andere Veröffentlichungen (PDF) verwendeten transparentes Indiumzinnoxid (ITO) für ähnliche Aufbauten. Sie erwiesen sich in Tests allerdings als deutlich weniger haltbar. Bei beiden Ansätzen sind PCM und Heizelement zusätzlich in isolierendes Aluminiumoxid gepackt, was Wärmeverlust vermeidet.

Wann kann ich es kaufen?

Es gilt wie immer die Einschränkung: Eine wissenschaftliche Veröffentlichung macht noch kein fertiges Produkt. Die Forscher konnten ihren Prototypen verlässlich 1.000-mal umschalten - für einen Netzwerkswitch viel zu wenig.

Rein optische Switches - auch als OOO bezeichnet, da zwischen optischem Ein- und Ausgang keine Wandlung in ein elektrisches Signal erfolgt, was als OEO bezeichnet würde - gibt es allerdings. Sie bestehen aus Mikrospiegeln, die das Licht von einem eingehenden in einen ausgehenden Lichtleiter reflektieren.

Die Mikrospiegel haben allerdings noch einige Nachteile: Sie sind kompliziert herzustellen und zu skalieren. Daher arbeiten viele Unternehmen und Forschungsgruppen daran, ähnliche Methoden mit Halbleitertechnologie zu realisieren.

Ein Ansatz sind mikromechanische Systeme (MEMS), bei denen ein optischer Koppler an die zu verbindenen Wellenleiter gedrückt wird (PDF). Eine Fertigung rein mit optischen und elektronischen Elementen verspricht eine höhere Integrationsdichte und entsprechend geringere Kosten. PCMs haben einen weiteren Vorteil: Sie halten ihren Zustand nach dem Umschalten, benötigen also nicht dauerhaft Energie.

In ein Produkt haben es die siliziumbasierten Switches aber noch nicht geschafft. Das liegt teils an der Fertigung - Materialien wie Graphen oder das oft verwendete PCM GST (eine Verbindung aus Germanium, Antimon und Tellur) kommen in industriellen Fertigungsprozessen nicht vor -, teils am verbleibenden Aufwand, um ein alltagstaugliches Produkt herzustellen. Dafür sind 1.000 Schaltvorgänge zu wenig.