Sparsame Nano-LEDs übertragen Daten mit 10 Gbit/s

In der Weiterentwicklung von Computerchips könnte eine Maßnahme die Nutzung von optischen Datenverbindungen zur Kommunikation innerhalb und zwischen Chips sein, da diese nicht nur deutlich effizienter sind als die heutigen elektrischen Datenverbindungen, sondern auch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten versprechen.

Bereits im Mai stellten Jelena Vuckovic und James Harris von der Stanford University zusammen mit Eugene Haller einen neuen Halbleiter-Laser im Nanoformat vor, der sich durch eine hohe Effizienz und Modulationsrate auszeichnet. Für den praktischen Einsatz ist dieser bisher jedoch nicht geeignet, da er nur bei einer Temperatur von unter -123 Grad Celsius arbeitet. Wesentlich näher an der Praxis ist eine bei Raumtemperatur arbeitende LED im Nanoformat, die Vukovic nun zusammen mit Gary Shambat vorgestellt hat.

Erfüllt die Funktionen eines Lasers, aber deutlich sparsamer

Sie ist nicht nur effizient und emittiert Licht, ähnlich einem Laser, weitestgehend in einer Wellenlänge und Richtung (Single Mode), sondern bietet auch noch eine hohe Modulationsrate. Den Angaben der Forscher zufolge ist die LED in der Lage, Daten mit einer Rate von 10 Gigabit pro Sekunde zu übertragen. Damit erfüllt sie die gleichen Aufgaben wie ein Laser, ist jedoch deutlich sparsamer. Die LED benötigt lediglich 0,25 Femtojoule (10^-15 Joule), um ein Bit Daten zu übertragen. Verglichen mit heute in der Praxis üblichen, energiesparenden Lasern bedeutet dies eine enorme Verbesserung. Diese benötigen im Schnitt rund 500 Femtojoule zur Übertragung eines Bits, also rund 2.000 mal so viel.

Kompakte Bauweise

Die geringe Leistungsaufnahme profitiert unter anderem davon, dass die Diode Lichttransmission und Modulation in einem Bauteil kombiniert, wohingegen Laser zu diesem Zweck über zwei separate Bauteile verfügen, die mehr Energie benötigen. Das Licht der LED wird wenn Strom anliegt von kleinen Inseln aus Indiumarsenid emittiert, sogenannten Quantenpunkten. Diese sind von photonischen Kristallen Umgeben, genauer gesagt von einer Anordnung kleiner Löcher, die in einen Halbleiter geätzt wurden. Sie dienen als Spiegel, die das Licht in die Mitte leiten und dazu bringen in einer Frequenz zu schwingen.

Wann und in welcher Form die Nano-LEDs sich in Produkten wiederfinden werden, ist offen. Die Stanford-Forscher sehen sie jedoch als einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer praktisch nutzbaren, schnellen und sparsamen Lichtquelle für optische Datenverbindungen auf Chips. Weitere Informationen zu den Nano-LEDs haben Vukovic und ihre Kollegen in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications veröffentlicht.