Prof. Dr. H. Langhals

Terahertz-Computerbausteine in Pico-Technologie

Optische Computer, bei denen die Verarbeitung von elektrischen Signalen durch Lichtquanten ersetzt wird, sind für künftige Entwicklungen ausgesprochen attraktiv. Der Austausch von elektrisch leitenden Drähten durch optische Wege ist von besonderem Interesse, weil sich Lichtwege im Gegensatz zu elektrischen Verbindungen ohne Störungen kreuzen können; die komplexe Verdrahtung moderner Mikroprozessoren wird dadurch erheblich vereinfacht. Darüber hinaus können optische Computer prinzipiell bei erheblich höheren Geschwindigkeiten arbeiten als ihre elektrischen Analoga.

Bild-CD
Abb. 1. Typisches konventionelles optisches Bauelement.

Bei konventionellen optischen Bauelementen (Abb. 1) begrenzt allerdings die vergleichsweise große Lichtwellenlänge von ca. 0.5 mm die Verkleinerung der Bausteine, da deren Unterschreitung zu Lichtbeugung führt – die Überwindung dieser natürlichen Grenze würde einen erheblichen Fortschritt bringen.

Bild ErdeMikroprozessor
Abb.2. Größenvergleich Erdkugel und integrierte Bauteile

Eine Unterschreitung des Limits gelang durch die Verarbeitung und den gezielten Transport der Licht­energie statt des Lichts selbst, das sonst abgestrahlt und wieder absorbiert werden muss. Dies entspricht der Verwendung von technischen Wechselströmen (50 Hz) mit einer Wellenlänge von 6000 km (fast der Durchmesser der Erde, Abb. 2, links), bei denen aber die elektrische Energie in menschlichen oder noch kleineren Dimensionen verarbeitet wird (Abb. 2, rechts); auch hier werden keine Lichtquanten emittiert und wieder absorbiert. Bei optischen Komponenten kann in analoger Weise der Energietransfer die Emission und Absorption von Lichtquanten ersetzen. Der Transport der Lichtenergie erfolgt zwischen farbigen, lichtabsorbierenden Strukturen, kurz Chromophore genannt. Der Energietransfer erfolgt leicht, wenn der Abstand der beteiligten Chromophore innerhalb des Försterradius liegt, der meist 2 bis 3 nm beträgt (0.002 mm). Andererseits stellt dieser Försterradius eine zweite natürliche, untere Grenze für die Abmessungen der Bauelemente dar, denn bei dessen Unterschreitung würde eine unkontrollierte Verteilung der Lichtenergie auf alle Bausteine erfolgen.

mol. Schalter
Abb. 3. Molekularer Schalter.

Uns gelang, auch diese zweite natürliche Grenze zu unterschreiten, indem wir zwei Chromophore in unmittelbarer Nachbarschaft räumlich fixierten. Durch eine Änderung der Orientierung der Chromophore war es möglich, die Energieübertragung ein- und auszuschalten und somit die Energie gerichtet weiterzuleiten. Dies erfolgte bei einer Abmessung der Anordnung von nur 900 pm (0.0009 mm). Der Abstand der Bausteine betrug dabei nur 140 pm - Picotechnologie (molekularer Schalter, Abb. 3).

Die Arbeitsfrequenz solcher optischer Bausteine liegt bei ca. 500 THz (500 000 000 MHz), so dass dies für den Bau von Computern ausgesprochen interessant ist. Die Verkleinerung der Abmessungen beträgt einen Faktor von ca. 1000 gegenüber den heutigen kleinsten Computer-Strukturen. Zu berücksichtigen ist dabei allerdings, dass die neue Technologie problemlos in allen drei Raumrichtungen ausgedehnt werden kann, so dass sich ein Faktor von einer Milliarde auswirkt. Der neue Typ von Bausteinen ermöglicht damit die Entwicklung von Computerbauelementen mit sehr hoher Integrationsdichte und sehr hoher Arbeitsfrequenz.


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