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Optische Schalter: Spieglein, Spieglein auf dem Chip

Datennetze mit Übertragungsraten von Billiarden Bit pro Sekunde sind möglich – sofern man alle elektronischen Schalter durch rein optische ersetzt.


Während der Blütezeit des Eisenbahnbaus im Amerika des 19. Jahrhunderts war der Bedarf an neuen Schienennetzen so groß, dass die Gesellschaften Fahrgäste schon beförderten, bevor eine Verbindung zwischen zwei Städten fertig gestellt war: Häufig baute man Brücken über größere Flüsse erst zum Schluss, und die Passagiere mussten vom Zug auf eine Fähre wechseln, damit übersetzen und einen neuen Zug besteigen. Ähnlich liegen die Dinge derzeit im Bereich optischer Netzwerke. Den Fähren entsprechen elektronische Schalter, die den Datenverkehr an den Verzweigungen im Glasfasergeflecht weitervermitteln. Sprachübertragungen, Videosignale und Computerdaten müssen sozusagen von der Datenautobahn herunterfahren und über eine langsamere, da elektrische Landstraße zur nächsten schnellen Verbindung gelangen.

Die Probleme mit der opto-elektro-optischen Umwandlung werden zunehmend dadurch verschärft, dass der Leistungszuwachs bei Systemen der so genannten Photonik den rein elektronischer Schaltungen bald überholen wird. Für die wird es immer schwieriger, die Datenflut, die via Glasfasern eintrifft, zu bewältigen. Die nächste Generation von Kommunikationsnetzen soll deshalb mit optischen Schaltern arbeiten.

Netzknoten für einzelne Wellenlängen, englisch cross connectors genannt, leiten eintreffende Signale zu einer der möglichen Ausgangsfasern. Ein Schalter mit hundert Eingangskanälen, von denen jeder zehn Gigabit transportiert, muss dann mit einem Terabit (eine Billion Bit) pro Sekunde zu Rande kommen.

Einige Firmen setzen dazu auf so genannte mikroelektromechanische Systeme (MEMS): Kleine, mechanisch verstellbare Spiegel lenken das Licht von einer Eingangslichtleitfaser auf eine von vielen Ausgangsfasern. Mikromaschinen finden mehr und mehr industrielle Anwendungen etwa in der Telekommunikation, der Automobilindustrie, in der Luftfahrt und Unterhaltungselektronik. Es sind integrierte Schaltungen mit mechanischen Komponenten auf dem Chip, hergestellt aus Silizium-Einkristallen, den Wafern, mittels der in der Mikroelektronik üblichen Prozesse. Bei der MEMS-Fertigung werden lichtempfindliche Schichten auf dem Silizium über Masken belichtet, die exponierten Stellen entwickelt und nun frei liegende Oxidschichten weggeätzt, sodass die strukturellen Bestandteile der Mikromechanik wie in einem Halbrelief stehen bleiben. Auf diese Weise entstehen mechanische Komponenten mit Abmessungen von einigen Mikrometern, die sich elektronisch gesteuert bewegen.

Dank dieser bewährten Fertigungstechnik sind MEMS preisgünstig, sie lassen sich mit hochkomplexen elektronischen integrierten Schaltkreisen kombinieren, und Mikromaschinen aus solchen Komponenten erweisen sich als sehr haltbar. Ein MEMS-Schalter im optischen Netzwerk besteht vor allem aus winzigen Spiegeln, die so positioniert sind, dass für jede eintreffende Wellenlänge aus dem informationstragenden Lichtstrom einer Glasfaser genau einer dieser Mikrospiegel bereitsteht. Bei einem der vielen mittlerweile existierenden Modelle können sie sowohl in der Vertikalen als auch in der Horizontalen gekippt werden, um so jede beliebige Wellenlänge aus einer von 256 Eingangsfasern auf eine von ebenso vielen Ausgangsfasern umzulenken. In einem MEMS-Schalter trifft Licht einer bestimmten Wellenlänge, das beispielsweise durch Port A kommt, auf einen Mikrospiegel, der ihn etwa zu Port C weiterleitet.

Welcher Zugang es sein soll, entscheidet die Software im signalverarbeitenden Prozessor des Schalters. Der steuert dann eine Elektrode auf der Oberfläche des Chips an, um den richtigen Spiegel über ein elektrisches Feld in die richtige Winkelstellung zu bringen. Der eintreffende Lichtstrom wird auf diese Weise in separate Wellenlängen aufgetrennt und zu den Output-Spiegeln reflektiert, die diese dann in die entsprechende Ausgangsfaser speisen.

Die Schaltspiegel messen nur etwa einen halben Millimeter im Durchmesser, das entspricht ungefähr einem Stecknadelkopf. Sie stehen im Abstand von einem Millimeter, sodass alle 256 Spiegel auf ein 2,5 Quadratzentimeter großes Siliziumstückchen passen. Der ganze Schaltknoten kann noch mit einer Hand gehalten werden und verbraucht ungefähr hundertmal weniger Strom als Schalter mit optoelektronischer Umwandlung. Die Fertigungskosten sind dank der Verwendung herkömmlicher Technologien zur Produktion von Siliziumschaltkreisen gering.

Da jeweils ein Spiegel den Input, ein anderer den Output steuert, muss sich jeder in alle Richtungen kippen lassen. Glücklicherweise erhalten die Spiegel bei der Herstellung eine solche Steifigkeit, dass sie nur selten ihre korrekte Ausrichtung verlieren. Die Fertigungssteuerung selbst erlaubt es zudem, jede Komponente für sich präzise zu manipulieren. Damit rücken Schalter für höhere Kapazität immer näher. Bei den früher entworfenen Lithiumniobat-Schaltern war die Zahl der nötigen Schaltelemente ungleich größer, nämlich genau gleich der Quadratzahl der Ein- oder Ausgänge des Netzknotens – ab einer gewissen Größe lassen sich solche Systeme nicht mehr realisieren.

Datenspiegeleien


Betreibern von Kommunikationsnetzen kommt es sehr entgegen, dass sich mit den Spiegelarrays bei steigender Nachfrage die Schaltergröße variieren lässt. Der erste große MEMS-Vermittlungsknoten, der Lucent Lambda-Router, ist seit Juli 2000 erhältlich. Seine Durchsatzkapazität liegt bei 10 Terabit pro Sekunde, der zehnfachen Rate der meistgenutzten Internetverbindungen. In jedem der 256 Input-Output-Kanäle ist eine Datengeschwindigkeit von 320 Gigabit pro Sekunde möglich – 128-mal schneller als bei herkömmlichen elektronischen Schaltern. Goldene Zeiten: Im kalifornischen Silicon-Valley entstanden mehr als 10 auf MEMS spezialisierte Jungunternehmen.

Andere hingegen setzen auf photonische Wellenleiter statt Mikrospiegel, und das ist ebenfalls ein viel versprechender Ansatz. Wellenleiter bestehen wie Glasfasern aus zwei transparenten Medien, einem Kern und einer "Cladding" genannten Hülle. Beide haben verschiedene Brechungsindizes, sodass das Licht nur an den Enden der Leiter ein- und austreten kann. Solche Strukturen lassen sich ebenfalls mit herkömmlichen Techniken der Halbleiterindustrie aus Silizium fertigen. Ein gegenwärtig von den Firmen JDS Uniphase, Nanovation, Lucent und anderen erprobter cross connector auf Wellenleiterbasis macht sich thermoelektrische Wirkungen zu Nutze, um die Signale zwischen Glasfasern hin- und herzuschalten. Das einlaufende Signal wird auf zwei Leitungswege geleitet und einer davon durch einen elektrischen Widerstand leicht erwärmt, mithin etwas verlängert. Das ändert die Phase des Lichts (also den genauen zeitlichen Ablauf ihrer Schwingung) am Ende des entsprechenden Wellenleiters. Bei einem erneuten Zusammentreffen der Signale beider Wellenleiter kann dieser Phasenunterschied die Steuerung zu einem von zwei möglichen Output-Ports bewirken.

Solche integrierten Wellenleiter sind preisgünstig, klein und in großen Mengen herstellbar. Auf den Silizium-Wafern lassen sich auch Laser und Lichtdetektoren befestigen, die für Empfang beziehungsweise Versenden optischer Impulse als Informationsträger vonnöten sind. Das Ziel ist der integrierte photonische Schaltkreis, der alle diese Komponenten in einem Silizium-Chip enthält.

Eine verblüffende Variante verbindet solche Wellenleiter mit der Tintenstrahl-Technik, die in Druckern verwendet wird. Anfangs sehr skeptisch beurteilt, findet diese Entwicklung von Agilent, einem Ableger von Hewlett-Packard, mehr und mehr Anhänger.

Ein bubble switch besteht aus einem Gitter von Siliziumdioxid-Wellenleitern. Winzige Löcher an den Kreuzungen sind entweder leer oder von einer Flüssigkeitsblase ausgefüllt, deren Brechungsindex dem des Halbleitermaterials entspricht. Die von den Lichtwellenleitern an der Kreuzung eingeschlossenen Winkel sind so gewählt, dass ein Lichtstrahl durch ein leeres Loch geradlinig in den nächsten Leiter hindurchstrahlt, von einer Blase aber gebrochen und umgelenkt wird. Der Druckkopf eines Tintenstrahldruckers dient dazu, diese Blasen einzubringen oder abzusaugen.

Solche "Blasenschalter" verbinden kleine Ausmaße und akzeptable Schaltgeschwindigkeit mit einer guten optischen Leistung. Doch auch sie lassen sich nicht ohne weiteres auf hohe Kapazitäten bringen. Bei zehn Eingängen und zehn Ausgängen müssten schon 100 Druckköpfe die Vermittlung übernehmen, diese Technik eignet sich also wohl eher für kleine Verbindungsknoten.

Ein weiterer Schaltertyp macht sich die opto-elektronischen Eigenschaften von Flüssigkristallen zu Nutze; dasselbe Prinzip bringt auch flache Computerbildschirme zum Leuchten (Spektrum der Wissenschaft 4/2001, S. 117). Flüssigkristalle bestehen aus Molekülen mit einer charakteristischen länglichen Form. Sie wechselwirken mit elektromagnetischen Feldern und richten sich im Raum aus. Dadurch vermögen sie die Polarisationsrichtung von Lichtwellen, das heißt ihre Schwingungsebene zu drehen. Wie beim liquid crystal display (LCD) wird auch beim optischen Schalter eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Glasplatten eingebracht, die mit einer transparenten und leitfähigen Oxidschicht überzogen sind; sie dienen als Elektroden. Eine angelegte Spannung schafft das elektrische Feld, das die räumliche Ausrichtung der Moleküle des Flüssigkristalls und damit die Polarisationsrichtung des Lichts steuert, das durch eine solche Zelle fällt. Ein displacer genannter Kristall leitet Licht dagegen je nach Polarisation zu einer bestimmten Outputfaser weiter: Aufgrund seines heterogenen Aufbaus können zum Beispiel horizontal schwingende Wellen einfach passieren, während vertikal polarisierte wie in einem Prisma gebrochen werden.

Anfangs waren solche Schalter sehr langsam und reagierten zu empfindlich auf kleinste Änderungen der Ausgangspolarisation. Verbesserungen erlauben Unternehmen wie Corning oder Chorum Technologies heute, intensiv an der Weiterentwicklung dieses Schaltertyps zu arbeiten. Auch hier treten technische Probleme vor allem beim Versuch auf, große Kapazitäten zu erreichen, da die Anzahl der geforderten Schaltelemente proportional zum Quadrat der Eingangs- oder Ausgangsfasern zunimmt. Eine andere mögliche Anwendung dieser Technik bieten so genannte rekonfigurierbare Multiplexer: Geräte, die Wellenlängen in ein Netzwerk speisen oder ausschließen.

Achtung: Nichtlineare Optik


Die bislang genannten Schaltprinzipien sind verhältnismäßig langsam (Schaltzeiten um 1 ms) und bewegen sich in der auch aus dem Alltag bekannten linearen Optik: Je mehr Licht auf einen Spiegel fällt, desto heller erscheint das darin sichtbare Abbild. Im Bereich der nichtlinearen Optik, das heißt bei hinreichend hohen Feldstärken des elektromagnetischen Feldes der Lichtwelle, verhalten sich Werkstoffe je nach Lichtintensität unterschiedlich, ändern beispielsweise ihren Brechungsindex. Der große Vorteil dieser Effekte: Sie stellen sich um ein Millionenfaches schneller ein als etwa bei Erwärmung eines Wellenleiters. Das ermöglicht ultraschnelle Schalter, die zwischen zwei Bits eines Datensignals umschalten können, das mit 320 Gigabit pro Sekunde daherkommt.

Auch lichtleitende Glasfasern legen ein nichtlineares Verhalten an den Tag. Ultraschnelle Verbindungselemente, die innerhalb von quadrillionstel Sekunden (Femtosekunden) schalten können, lassen sich mit einem nonlinear optical loop mirror (NOLM) realisieren, einem Interferometer, in dem zwei Lichtstrahlen in Wechselwirkung treten.

Dieser besondere Spiegel besitzt an zentraler Stelle einen Faserkoppler, der den eintreffenden Lichtstrahl auf zwei Schenkel einer Faserschleife aufteilt. Erste Möglichkeit: Beide Signale reisen in Gegenrichtung hindurch, vereinigen sich nach einer Runde wieder und verlassen das Schaltelement durch die gleiche Faser, durch die sie gekommen waren. Bei der zweiten Möglichkeit aber wird nach der Aufteilung ein weiterer Impuls in einen Schenkel eingespeist. Die so verstärkte Lichtintensität ändert den Brechungsindex der Glasfaser, wodurch sich die Phase der dort reisenden Welle verschiebt. Das vereinigte Signal verlässt dann den Schalter über eine andere Ausgangsfaser.

Im Allgemeinen erfordern nichtlineare optische Schalter energiereiche Lichtimpulse von sehr kurzer Dauer. Verwendet man dagegen Halbleiterlaser, die durch eine Entspiegelung am Eingang und Ausgang am Lasern gehindert werden – das sind dann optische Verstärker (englisch semiconductor optical amplifier, SOA) – , so lässt sich die Energieschwelle für nichtlineare Effekte senken (vergleiche auch "Lichtschalter für Glasfasernetze", Spektrum der Wissenschaft 2/2001, S. 76). Derartige Schalter sind noch nicht marktreif, gelten aber als große Hoffnung für die Zukunft, denn sie lassen sich als integrierte Photonische Schaltkreise (photonic integrated circuit) bauen, dem optischen Gegenstück zum Mikrochip. Darin senden Laser ihr Licht durch eingebaute Wellenleiter in interferometrischen Anordnungen mit integrierten SOAs.

Literaturhinweise


Optical Fiber Telecommunications IIIB. Von Ivan P. Kaminow und Thomas L. Koch (Hrsg.), Academic Press, 1997.

Understanding Fiber Optics. Von Jeff Hecht, Prentice Hall, 1998.

Bell Labs Technical Journal. Band 5, Nr. 1, Januar bis März 2000. Abrufbar unter www.lucent.com/minds/techjournal.

Photonik. Von Jürgen Jahns. Oldenbourg Verlag, München, Wien, 2001.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2001, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 2001

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