Goldantennen für Terabit-Datenraten

Diese winzigen Goldantennen sind der Schlüssel zu drahtloser Datenübertragung mittels Lichtwellen mit Frequenzen von mehreren 100.000 Gigahertz (GHz). Solche optische Verbindungen könnten in Zukunft Datenraten von einigen Terabit pro Sekunde ermöglichen. Das wäre nicht zuletzt für optische Computer interessant.

«Der Trend geht dahin, Licht effektiv auch ohne Wellenleiter laufen zu lassen», meint Hans-Jürgen Eisler, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoscale Science am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT, im Gespräch mit pressetext. Der Einsatz für zukünftige Highspeed-Datenübetragungen ist aber nur eine von vielen denkbaren Anwendungen der Gold-Nanoantennen.

Lichtwellen des optischen Spektrums sind für Funkübertragungen geeignet, die entsprechend hochfrequent sind - gelbes Licht mit 600 Nanometern (nm) Wellenlänge etwa hat eine Frequenz von 500'000 GHz. Allerdings sind dazu winzige Antennen erforderlich, die kleiner sind als die halbe Lichtwellenlänge und deren Fertigung bislang ein grosses Hindernis war.

Elektronenstrahlverfahren

Die Forscher am KIT haben nun auf ein Elektronenstrahlverfahren gesetzt, um dieser Herausforderung beizukommen. Mittels der sogenannten Elektronenstrahllithographie können sie präzise Goldantennen fertigen, die zwischen 70 nm und 300 nm gross sind. Das Verfahren ist sehr gut reproduzierbar, wie die Forscher in der am 21. Oktober erscheinenden Ausgabe des Journals Nanotechnology berichten.

Da die hohe Frequenz der Lichtwellen die extrem schnelle Modulation des Signals erlaubt, eröffnen die Gold-Nanoantennen besonders hohe Datenraten. «Da geht es um Modulationen bis in den Terahertz-Bereich», sagt Eisler. Somit wäre also ein Vordringen zu Terabit-Übertragungsraten denkbar - im Bereich einer 10'000-fachen Beschleunigung gegenüber modernstem 802.11n-WLAN.

Allerdings ortet Eisler Anwendungsmöglichkeiten zunächst vor allem im Chip-Bereich und für optische Computersysteme. Für Übertragungen über grössere Distanzen gäbe es zusätzliche Hindernisse, etwa die grundsätzlich gleichmässige Ausbreitung von Licht in alle Richtungen.

«Wir sind zunächst einmal froh, die Grundlagen geschaffen zu haben», betont Eisler. Dass langfristig Ansätze gefunden werden, um mit den Goldantennen auch über grosse Entfernungen effektiv Daten zu übermitteln, sei keineswegs auszuschliessen.

Die Nanonantennen haben aber nicht nur Potenzial in der Datenübertragung, sondern beispielsweise auch für die optische Mikroskopie. «Mit Hilfe dieser winzig kleinen Nano-Lichtstrahler können wir Untersuchungen an einzelnen Biomolekülen durchführen, wie es bisher nicht möglich war», sagt Eisler.

Auch als Werkzeug zur besseren Charakterisierung nanoelektronischer Strukturen könnten die Antennen zum Einsatz kommen. Am LTI wird zudem daran gearbeitet, mit den Goldantennen sichtbares Licht gezielt einzufangen und auf wenige zehn Nanometer genau zu lokalisieren. Das könnte der Optimierung von Photovoltaikmodulen dienen.

Der Einsatz der Karlsruher Gold-Nanoantennen für Funkanwendungen freilich wirkt aus historischer Sicht besonders passend. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur heute allgegenwärtigen Funktechnologie waren die Experimente von Heinrich Hertz. Er konnte in den 1880ern die Existenz von elektromagnetischen Wellen weisen - und zwar an der Technischen Hochschule Karlsruhe, der späteren Universität Karlsruhe, die mit 1. Oktober 2009 im KIT aufgegangen ist.

(fest/pte)