Große Mengen von Informationen lassen sich heutzutage rasch global verteilen und nutzen, denn Datenverarbeitung und Telekommunikation bilden immer stärker integrierte Systeme. Künftig muß man aber jegliche Medien – ob Sprache, Klang, Text, Daten, Bilder oder Videos – schnell und wirtschaftlich erzeugen, erfassen, verteilen, darstellen, verarbeiten und speichern können. Das vermag die rein elektronische Technik schließlich gar nicht mehr zu leisten. Somit wird die Photonik – Symbiose aus Elektronik und Optik – zur Schlüsseltechnologie des Informationszeitalters (Bild 1).

Überhaupt ermöglicht wurde sie durch die Optoelektronik. Auf der Nahtstelle zwischen Festkörperphysik und Halbleitertechnik gelegen, setzt sie gewissermaßen auf atomarem Niveau elektronische und optische Erscheinungen in Festkörpern wie Photoleitfähigkeit und Elektrolumineszenz in Beziehung und schafft damit neue Funktionalitäten, die mit einer Technik allein nicht möglich wären. Bauelemente wie Leucht-, Laser- und Photodioden auf der Grundlage der Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) sind in ihren Abmessungen mit mikroelektronischen Schaltungen und optischen Wellenleitern kompatibel und bilden mithin die Schlüsselbauelemente photonischer Systeme. Ein Beispiel dafür ist ein Computer, der Daten elektrisch verarbeitet und speichert, sie aber optisch überträgt. Ausschließlich aus rein optischen Komponenten aufgebaute Rechner sind hingegen derzeit noch nicht vorstellbar, denn für optisches Schalten braucht man vorerst zuviel Platz und Energie, und ein Photonenspeicher ist erst in Ansätzen erkennbar.


Die ideale Kombination

Optische Photonen sind hervorragende Informationsträger, weil sie erlauben, Daten zeitlich und räumlich dichter zu packen als in elektrischen Leiterbahnen oder Funkwellen. So nutzt man in der Nachrichtentechnik gegenwärtig Frequenzen bis zu 50 Gigahertz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde), die Glasfaser ermöglicht jedoch das Tausendfache. Dem entspricht ein ungleich breiteres Frequenzband, in dem man wesentlich mehr Sender unterbringen kann. Auch lassen sich optische Übertragungswege dicht bündeln, ohne daß Signale von einem zum anderen übersprechen würden. Elektrische Leitungen hingegen wirken bei höheren Frequenzen wie Antennen, sind also bei geringen Abständen abzuschirmen, was Platz kostet und zusätzlichen Aufwand bedeutet. Des weiteren können sich unterschiedlich polarisierte Lichtsignale wechselwirkungsfrei kreuzen und auf denselben Übertragungsmedien ausbreiten. Diese Technik ist schließlich auch prädestiniert für den Einsatz in Netzwerken, wie das Beispiel einer einzigen Lichtquelle und einer Vielzahl von Spiegeln verdeutlicht.

Diese Eigenschaften entsprechen der unterschiedlichen physikalischen Natur von Elektronen und Photonen. Erstere haben Ladung und Masse, letztere keines von beidem. Ändern Elektronen ihren Zustand, resultiert daraus unter bestimmten Umständen ein Photon. Umgekehrt beeinflußt die Absorption eines Lichtquants den elektrischen Zustand von Materie. Während man aber Elektronen über deren zahlreiche Wechselwirkungen leicht beherrschen kann, fällt dies bei Photonen schwer; deshalb wählt man auch dafür bislang elektronische Steuerungen, kombiniert also beide Techniken so, daß man die Vorteile der einen nutzt und die Nachteile der anderen vermeidet. Da entsprechende Verbindungs-, Schalt- und Speicherfunktionen zahlreiche, sehr innovative Anwendungen versprechen, fördert das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie ihre Erforschung und Entwicklung mit dem Schwerpunktprogramm Photonik.


Optischer Informationstransfer

Eine photonische Verbindung besteht aus Sender, optischem Signalpfad und Empfänger. Typische Sender sind Halbleiter-Laserdioden, die ein elektrisches in ein optisches Signal wandeln, das man entweder elektrisch oder optisch moduliert. Dabei wird aus einer Folge von Bits, die den Wert "0" oder "1" haben, ein Hell-Dunkel-Muster beziehungsweise eine Folge von hellen und weniger hellen Lichtimpulsen. Weil man bei jedem Nulldurchgang der Trägerwelle ein Bit setzen kann, läßt sich etwa das Doppelte der Taktfrequenz an Bits aufprägen.

Der Empfänger besteht aus einer Photodiode als Detektor, die das optische Signal in ein elektrisches zurückwandelt, und einem Vestärker, der es dem für die Weiterverarbeitung erforderlichen Spannungspegel anpaßt. Dazwischen liegt der optische Signalpfad, der eine Glas- oder Polymerfaser sein kann – oder auch ein ebener Wellenleiter auf einer Leiterplatte oder einem Chip. Sinnvoll könnten auch Freiraumverbindungen sein, also nicht durch einen Leiter, sondern beispielsweise durch Linsen oder Hologramme vermittelte Übertragungswege.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit von Kommunikationssystemen sind die möglichen Raten, mit denen Informationen zu transportieren sind; die Grundeinheit ist ein Bit pro Sekunde. In Glasfaser-Fernnetzen sollen zehn Gigabit (Milliarden Bits) pro Sekunde pro Glasfaser demnächst kommerziell verfügbar sein, damit ließen sich 156000 ISDN-Telephongespräche (mit jeweils 64000 Bits pro Sekunde) gleichzeitig übertragen oder – in multimedialen Einheiten gedacht – 5000 Bildferngespräche mit je zwei Megabit (Millionen Bits) pro Sekunde beziehungsweise 70 Programme für hochauflösendes Fernsehen mit je 140 Megabit pro Sekunde an komprimierten Daten. Mittelfristig strebt man Übertragungsraten von 100 Gigabit pro Sekunde pro Faser an.

Das ließe sich auf elektrischem Wege nur mit großem Aufwand und Energieverbrauch erreichen, vor allem weil elektrische Leitungen, bevor sie ein Signal weiterleiten können, wie Kondensatoren erst aufgeladen werden müssen. Zudem verlieren Elektronen infolge von induktiven und ohmschen Widerständen proportional zur Streckenlänge an Energie, was ihre Reichweite begrenzt. Photonen hingegen benötigen im wesentlichen Energie zu ihrer Erzeugung, die dann (von der Streuung etwa an Verunreinigungen in einer Glasfaser abgesehen) unabhängig von der Länge der Übertragungsstrecke konstant bleibt. Bereits ab einer Verbindungslänge von weniger als einem halben Millimeter ist diese Technik der rein elektronischen überlegen; also auch über sehr kleine Strecken etwa innerhalb von elektronischen Schaltungen ist die Kommunikation mit Licht von Vorteil. Damit erstreckt sich das Anwendungsspektrum der optischen Kommunikation von transozeanischen Verbindungen bis hinab in den Submillimeterbereich.


Photonische Netze

Kennzeichnend für moderne Informationssysteme ist die Vernetzung dezentraler Strukturen. In Gestalt lokaler Netze haben sich bereits Techniken zum sehr schnellen Verteilen digitaler Daten innerhalb begrenzter Regionen etabliert.

Bei elektrischer Verkabelung etwa mittels Ethernet ist die Bitrate aber auf einige zehn Megabit pro Sekunde begrenzt. In Zukunft sind infolge neuer Dienstleistungen erheblich höhere Datenraten zu bewältigen, insbesondere wenn sich viele Nutzer Programme, Massenspeicher, Datenbanken, fortschrittliche Graphik und Echtzeitbildverarbeitung bei sehr hohen Datenraten von einigen Gigabit pro Sekunde teilen. Daher rührt das zunehmende Interesse an fasergebundenen optischen Lokalnetzen, für deren Betrieb ähnliche Techniken zur Verteilung und Vermittlung von Daten wie in der Fernübertragung angewendet werden.

Während Rechnersysteme über optische lokale Netze mit Faserlängen im Bereich einiger hundert Meter bis zu wenigen Kilometern untereinander verbunden werden können, betragen die Faserlängen innerhalb eines Systems in der Regel weniger als 100 Meter. Je nach Aufbau werden Punkt-zu-Punkt- und Multipunkt-zu-Multipunkt-Verbindungen eingesetzt.

Wollte man nun eine Reihe von Sendern mit mehreren Empfängern in allen möglichen Kombinationen verknüpfen, wäre dafür ein enormer Verkabelungsaufwand erforderlich. Statt dessen führt man die einlaufenden Signale über einen sogenannten Multiplexer zu einem seriellen Datenstrom zusammen, wofür sich die Glasfaser wegen ihrer großen Bandbreite besonders eignet. Dabei nutzt man oft die Zeitmultiplex-Technik: Die von verschiedenen Systemeinheiten ausgehenden elektrischen Datenleitungen verschachtelt eine entsprechende Schaltung im Reißverschlußverfahren zeitlich ineinander. So werden einkommende parallele Datenströme zu einem einzigen zusammengefaßt und mit einer höheren Rate übertragen. Auf der Empfängerseite sortiert eine Demultiplexer-Schaltung die einzelnen Datenströme und ordnet sie addressierten Systemeinheiten zu (Bild 2).

Photonik eignet sich mithin für alle Anwendungen, bei denen große Informationsmengen bewegt werden müssen, also auch für verteilte Prozessorsysteme und Hochleistungsrechner. Deren Systemgeschwindigkeit ist nämlich weniger durch das Arbeitstempo der integrierten Schaltkreise begrenzt als vielmehr durch die Verzögerungszeiten, mit denen Tausende metallischer Leitungen den Signalfluß verlangsamen; sie benötigen mittlerweile mehr Chip-Fläche als die aktiven Bauelemente selbst. Mit steigender Zahl elektrischer Verbindungen wird die zweidimensionale Verdrahtung auch immer schwieriger. Durch unterschiedliche Verbindungslängen treten zudem nicht mehr zu tolerierende Laufzeitdifferenzen auf, und das Übersprechen wird mit zunehmender Taktfrequenz zu einem Problem. In den Multiprozessorsystemen sind die Anforderungen an die Verbindungstechnik noch weiter verschärft; zum Beispiel ist die Taktverteilung zur Synchronisation der vielen Prozessoren sehr schwierig.

Zur Beseitigung von Engpässen können wenige optische Fasern ebenso wie in einen Chip integrierte Wellenleiter mehrere hundert metallische Verbindungen ersetzen, und das bei höheren Datenraten, dabei geringerem Leistungsverbrauch und bald auch niedrigeren Kosten. Künftig wird man auch zwischen elektronischen Platinen (Boards), zwischen Chips und schließlich auf den Chips selbst optische Kommunikationswege legen.

Während aber über größere Entfernungen Serialisierung die praktischste Lösung ist, kann man bei Board-Board-Verbindungen über die Rückwandplatine optische parallele Datenleitungen aus Faserbändern mit Laserdioden- und Photodetektorzeilen aufbauen. Besonders geeignet sind dafür Rückwandplatinen aus Glas oder Kunststoff hoher optischer Güte, in welchen kollimierte Lichtstrahlen wie bei Glasfasern durch Totalreflexion geführt werden (Bild 4).

Insbesondere massiv parallele Architekturen erfordern sehr hohe Leitungsdichten. Bei metallischen Verbindungen muß man sich allerdings auf etwa 20, bei Glasfasern nur auf rund 80 Leitungen pro Zentimeter beschränken. Mit photolithograpisch hergestellten Wellenleitern etwa auf der Basis von Polymeren lassen sich sogar pro Zentimeter 200 Leitungen unterbringen. Auf der Leiterplattenebene bieten sich deshalb parallele Bündel davon für photonische Chip-Chip-Verbindungen an.

Attraktiv ist auch eine Kombination von Freistrahlen mit Wellenleitern in einer optischen Verteilerplatte über der Leiterplattenebene. Auf diese Weise kann man neuartige Verbindungsarchitekturen hoher Flexibilität schaffen (Bild 3). Neue Möglichkeiten bieten oberflächenemittierende Laserdioden mit Vertikalresonator, die also senkrecht zur Substratoberfläche abstrahlen (Bild 5).


Photonische integrierte Schaltkreise

Damit ist bereits die Ebene der in Silicium realisierten Schaltungen selbst erreicht, und es liegt nahe, Basistechnologien der Mikroelektronik, Optoelektronik und Mikrooptik zu kombinieren, um Systeme kompakter, raum-, gewichts- und materialsparender sowie zuverlässiger und kostengünstiger zu bauen. Es gilt dabei nicht allein, optoelektronische Bauelemente wie Laser- und Photodioden zu Zeilen oder Matrizen zusammenzufassen, sondern sie auch mit der Elektronik zur Steuerung und Signalverarbeitung monolithisch – also etwa auf einem Silicium-Wafer – zu optoelektronischen integrierten Schaltkreisen (OEICs) zu vereinen. Die Herausforderung an die Integrationstechnik ist groß, sind doch Bauelemente mit sehr unterschiedlichem innerem Aufbau zu verschalten. Dafür bieten Sender- und Empfänger-OEICs eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählen etwa höhere Bandbreite, reduzierte Fläche der Chips, geringerer Leistungsbedarf, verbesserte Herstellbarkeit und letztlich weniger Kosten. An unserem Institut entwickeln wir deshalb insbesondere Technologien zur monolithischen Integration von Photodetektoren mit Hochgeschwindigkeitselektronik auf Galliumarsenid-Substrat (Bild 6) für hochratige serielle und parallele photonische Verbindungen sowohl über kurze (Wellenlänge 0,85 Mikrometer) als auch über lange Strecken (Wellenlängen 1,3 und 1,5 Mikrometer, für welche Glasfasern ein Dispersions- beziehungsweise Absorptionsminimum aufweisen). Auf der Senderseite betreiben wir die monolithische Integration von Laserdioden mit der Betriebs- und Steuerelektronik, eine besonders anspruchsvolle Technologie. Mit Hilfe der integrierten Optik werden alle erforderlichen mikro- und optoelektronischen sowie optischen Komponenten zu photonischen Mikrochips (PICs) zusammengebaut. PICs sind gewöhnlich auf einer miniaturisierten optischen Bank aus Silicium aufgebaute kompakte Module von hoher Komplexität, dabei jedoch geringem Integrationsgrad. Erreichen rein mikroelektronische Schaltkreise auf diesem Material schon Werte von 100 Millionen Transistoren pro Quadratzentimeter, so liegt die Dichte bei den PICs bislang in der Größenordnung von lediglich 1000 Elementen pro Quadratzentimeter – die photonische Schaltungstechnik steckt noch in den Anfängen. Die Verwendung unterschiedlicher Bauelemente und Materialien macht zudem die Prozessierung schwierig, die Ausbeute der Fertigung ist darum noch klein; Vorteile gibt es aber bei Justierung und Montage. Eines der Kernprobleme der integrierten Optik ist die Ankopplung der PICs an die Umgebung, üblicherweise an eine Glasfaser. Mit mikromechanisch hergestellten Strukturen wie eingeätzten V-Nuten gelingt aber schon die selbstjustierende Chip-Faser-Kopplung. Die Chancen, photonische Verbindungstechnik innerhalb eines Chips zu nutzen, werden derzeit von mehreren Einrichtungen ausgelotet. Wieder bieten sich Wellenleiter und Freiraumverbindungen an. Für die optische Verteilung von Daten über die Chip-Ebene könnten von Laserdioden emittierte Signale auf ein im Deckel des PIC-Gehäuses fixiertes Hologramm gerichtet werden, das sie dann auf die über den Chip verteilten Photodioden fokussiert (das Hologramm würde dabei also als Beugungsgitter arbeiten). Photonische Verbindungsstrukturen auf Chip-Ebene könnten längerfristig auch viel dazu beitragen, daß man künstliche neuronale Netze in Hardware zu realisieren vermag. Komplexere Systeme dieser Art werden bisher mit Neurocomputern simuliert. Trainierbare Netze benötigen bei n Neuronen n² Verbindungen, also schon bei einer moderaten Zahl von 1000 Knoten eine Million. Dies elektrisch realisieren zu wollen, scheint kaum möglich; durch optisches Vernetzen in allen drei Dimensionen könnte es aber gelingen. Längerfristig werden Prozessorsysteme für spezielle Anwendungen wie die Bildverarbeitung entstehen, deren Architektur auf die Besonderheiten der Optik zugeschnitten ist und die vornehmlich von der Parallelität und der Konnektivität – dem Vermögen zur Vernetzung – des Lichts Gebrauch machen. Sie benötigen aber für eine zweidimensionale parallele Signalverarbeitung außer den Sender- und Empfänger-Arrays auch logische Ebenen, das heißt photonische Schaltelemente. Konzepte solcher möglichen Systemarchitekturen sehen mehrere aufeinanderfolgende Ebenen davon vor, die über optische Freiraumverbindungen sowie angepaßte Linsen- und Hologramm-Ebenen Informationen austauschen. Doch bislang sind photonische Schalter zwar schnell, aber wenig effizient und benötigen recht hohe Steuerleistungen. Einen universell einsetzbaren optischen Computer wird es demnach vorläufig wohl nicht geben. Die Mikroelektronik, die bei der Entwicklung der modernen Informationstechnik grundlegende Bedeutung hatte, wird diese zentrale Stellung also auch künftig nicht verlieren. Allerdings dürfte die Photonik dort zur Schlüsseltechnologie werden, wo elektronische Verfahren an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit stoßen oder nicht mehr wirtschaftlich sind. Insgesamt wird die Symbiose von Optik und Elektronik die Informationstechnik Anfang des kommenden Jahrhunderts prägen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1996, Seite 102
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