Green Nanophotonics made in Berlin

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1 Technische Universität Berlin Green Nanophotonics made in Berlin Prof. Dr. Dieter Bimberg, Dr. Werner Hofmann, Dipl.-Phys. Philip Moser, Dipl.-Phys. Philip Wolf

2 Einleitung Die im Internet übertragene Datenmenge wächst jährlich um 50 bis 60 %. Die Wachstumsrate des mobilen Internets ist sogar noch höher und übertrifft alle Prognosen. Im Jahr 2010 betrug der Zuwachs von mobiler Datenübertragung 160 %. Mobile internetfähige Geräte wie Smartphones sind inzwischen weitverbreitet und aus dem Alltag vieler Menschen nicht mehr wegzudenken. Diese neuartigen internetfähigen mobilen Geräte erschließen neue Anwendungsmöglichkeiten und führen dadurch zur weiteren verstärkten Nutzung des mobilen Internets. Jede Benutzung des Internets ist mit einem Zugriff auf Computer in Rechenzentren und damit einem Energieverbrauch verbunden. Der Energieverbrauch von Rechenzentren steigt durch die Zunahme des Datenverkehrs jedes Jahr um 12 %, was einer Verdoppelung des Energieverbrauchs in nur sechs Jahren entspricht. Heutzutage verursacht das Internet bereits 3 bis 5 % des weltweiten Energieverbrauches. Das macht die Stromproduktion von 48 Atomkraftwerken aus. Bereits in 20 Jahren wäre die Stromproduktion aller zurzeit weltweit existierenden Atomkraftwerke nicht mehr ausreichend, um die Rechenzentren mit Strom zu versorgen. Nahezu jeder Internetnutzer nutzt mehrfach täglich Suchmaschinen wie Google. Pro Tag bearbeitet alleine Google 200 Millionen Suchanfragen, wodurch täglich 40 Tonnen CO 2 emittiert werden. Damit ist Energieeffizienz in Rechenzentren nicht nur aus finanziellen, sondern auch aus ökologischen Gründen bereits heute unerlässlich und wird in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen. Das neudeutsche Schlagwort hierzu lautet Green IT. Die Lasertechnologie ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Ihre Anwendung in der optischen Datenübertragung ist der Schlüssel, um das gravierende Problem des steigenden Datenverkehrs und dem damit verbundenen Energieverbrauch zu lösen. Optische Nachrichtentechnik ist wesentlich energieeffizienter als die zum großen Teil noch heute verwendete und auf Kupferkabeln basierte Nachrichtentechnik, da sich höhere Datenraten über länger Distanzen bei gleichzeitig niedrigerem Energieverbrauch realisieren lassen. Oberflächenemitter, Halbleiterlaser mit Vertikalresonator VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) sind klein und leistungsstark sowie effizient im Energieverbrauch und Herstellungskosten. Sie sind damit im besonderen Maße geeignet, das Problem des steigenden Energieverbrauchs in Rechenzentren zu lösen. IBM stellte 2008 den ersten Großrechner namens Roadrunner mit Globaler Datenverkehr im Internet* Mobiles Internet Stationäres Internet *Cisco Visual Networking Index Forecast and Methodology 2007 und Jahr optische Datenverbindungen vor, wo bereits Oberflächenemitter als Lichtquellen Verwendung fanden. Im Jahr 2011 wurde mit Blue Waters eine 10 Petaflop- Großrechner (FLOPS; englisch für Gleitkommaoperationen pro Sekunde) vorgestellt, welcher schon 20-mal mehr optische Datenverbindungen als Roadrunner besaß. Bei einer erwarteten Einführung von Exaflop Systemen für die Jahre wird bereits mit 1 Milliarde optischen Verbindungen pro Großrechner gerechnet. 40 % des Energieverbrauchs und somit ein großer Teil der Betriebskosten ist in heutigen Großrechnern alleine schon durch die optischen Komponenten gegeben. Ein typischer, heute schon erhältlicher Oberflächenemitter verbraucht 30 Milliwatt elektrische Leistung, so würde ein Exaflop-Großrechner mit derartigen optischen Sendeeinheiten bereits 30 Megawatt nur für einen Teil der optische Verbindungen konsumieren. Um die Leistungsfähigkeit sowie den Energieverbrauch von zukünftigen Großrechnern zu gewährleisten, hat ein weltweites Gremium aus der Halbleiterindustrie in der ITRS (International Technology Roadmap for Petabyte pro Monat

3 Semiconductors) unter anderem das Ziel von 100 fj/bit für das Jahr 2015 vorgegeben, sprich die Leistung, die pro übertragenes Bit benötigt wird, darf die 100 Femtojoule nicht überschreiten. Heutige Oberflächenemitter benötigen mit 1000 fj/bit immerhin noch das 10-fache von dem was in 4 bis 5 Jahren benötigt wird. Die Technische Universität Berlin hat neuartige hocheffiziente Oberflächenemitter zur Anwendung in optischen Verbindungen in Rechenzentren und Supercomputern entwickelt. Diese innovativen Laserdioden demonstrieren, dass hocheffiziente Lichtquellen, die die zukünftigen Ansprüche an Energieeffizienz und Bandbreite erfüllen, bereits heute realisierbar sind. Dabei sind entgegen der Einschätzung vieler Experten keine neuen, komplizierten und damit teuren Bauelementarten notwendig. Sie basieren auf der seit Jahren millionenfach bewährten Prozesstechnologie zur Herstellung von Oberflächenemittern für Computermäuse und optische Datenverbindungen, was eine kostengünstige Massenproduktion ermöglicht. Im Vergleich zu den heute kommerziell erhältlichen oberflächenemittierenden Lasern arbeiten die neuartigen Laserdioden der TU Berlin über 10-mal effektiver und bieten gleichzeitig eine mehr als doppelt so hohe Bandbreite bei einer 3-mal längeren Übertragungsdistanz von 1000 Metern, gegenüber den heute erreichten 300 Metern. Die Innovation Bereits in vier Jahren werden Lichtquellen benötigt, die mehr als 10-mal effizienter arbeiten, als die heutigen kommerziellen Laser. Bisher war nicht abzusehen, ob dieses Ziel überhaupt jemals erreicht werden kann. Führende Experten sind weltweit bisher davon ausgegangen, dass für solche extrem effizienten Lichtquellen wohl neuartige Bauelementtechnologien zu entwickeln sind, die wenn überhaupt nur mit sehr hohem technologischen und finanziellen Aufwand zur Marktreife gebracht werden könnten. Trotz intensiver Forschung sei noch nicht abzusehen, ob eine kommerzielle Nutzung jemals möglich sein wird. Mit den hier vorgestellten innovativen Oberflächenemittern haben wir bewiesen, dass die zukünftig erforderlichen extrem hohen Effizienzen tatsächlich erreicht werden können. Besonders hervorzuheben ist, dass dazu keine neuartigen aufwendigen und damit teuren Bauelementkonzepte notwendig sind. Unsere Bauelementherstellung basiert auf der seit Jahren fj/bit millionenfach bewährten Prozesstechnologie zur Herstellung von Laserdioden für Computermäuse oder für die Datenübertragung. Damit ist die Möglichkeit einer sehr kostengünstigen Massenproduktion gegeben. Alle heutzutage standardmäßig verwendeten Verfahren zur Kontaktierung und optischen Einkopplung der Laserdioden können weiterhin verwendet werden. Weltweit wird intensiv daran geforscht, die Geschwindigkeit von Oberflächenemittern zu erhöhen. Dabei wurden bisher höhere Bandbreiten stets durch einen größeren Energieverbrauch erkauft. Unsere energieeffizienten Dioden arbeiten 10-mal effizienter als die heutzutage kommerziell erhältlichen Laser und bieten dabei eine mehr als doppelt so hohe Bandbreite. Von großem Vorteil ist, dass die Laser problemlos bis zu hohen Temperaturen von mindestens 55 C mit konstanten Betriebsparametern energieeffizient betrieben werden können. Damit sind die Laser 25 Gbit/s Kommerzielle Oberflächenemitter (links) verbrauchen viel Energie pro übertragenes Bit (Femtojoule pro Bit - fj/bit) und erreichen eine Übertragungsrate von 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s). Die innovativen Laserdioden der TU Berlin arbeiten 10-mal effizienter und besitzen dabei eine Datenrate von 25 Gbit/s Gbit/s Kommerzielle Oberflächenemitter 100 fj/bit TUB / VIS Oberflächenemitter

4 ungekühlt über einen großen Temperaturbereich einsetzbar. Bedenkt man, dass 50 % der Energie in einem Rechenzentrum zum Kühlen der Computer notwendig ist, wird das enorme Energieeinsparpotenzial einer verringerten Kühlung oder gar der vollständige Verzicht darauf deutlich. Da die Laser bei niedrigen Strömen und hocheffizient arbeiten, erzeugen sie auch sehr wenig Wärme, was die Notwendigkeit von aktiver Kühlung zusätzlich verringert. Jedes Grad Celsius, das man weniger kühlen muss, spart 5 % Energie. Desweiteren hat die TU Berlin eine Technologie entwickelt, die es erlaubt Oberflächenemitter ungekühlt bei Temperaturen von 155 C zu betreiben. Dies ermöglicht selbst dichtgepackte Anwendung in Prozessoren oder Supercomputern. Stand der Technik Zusätzlich zur drastischen Verbesserung der Effizienz und Bandbreitenerhöhung ist mit den entwickelten Laserdioden schnelle und kostengünstige Datenübertragung über 1000 Meter Multimode- Glasfaser möglich. Bisher können Oberflächenemitter für optische Datenübertragung über Multimode-Glasfaser nur bis Übertragungsdistanzen von maximal 300 Metern eingesetzt werden. Für längere Übertragungsstrecken werden kantenemittierende Laserdioden und Singlemode-Glasfasern verwendet. Diese Laserdioden sind wesentlich teurer und verbrauchen mehr Energie als Oberflächenemitter. Außerdem ist der Einsatz von Singlemode-Glasfasern aufgrund der teureren Glasfaserverbindungen und aufwendigeren optischen Einkopplung wesentlich kostenintensiver. Elektrische Datenübertragung, die auf langsamer und energiehungriger Kupfertechnologie basiert, ist heute noch weit verbreitet. Bei Bandbreiten von 10 Gigabit pro Sekunde ist diese aber auf Übertragungsstrecken von nur wenigen Metern limitiert. Wenn höhere Bandbreiten oder längere Übertragungsdistanzen notwendig sind, führt nach Untersuchungen von führenden Analysten bereits heutzutage an optischer Datenübertragung über Glasfasern kein Weg vorbei. Um 10 Gigabit pro Sekunde über Kupferkabel übertragen zu können, werden mit modernsten Komponenten 10 bis 15 Watt (W) benötigt. Durch Verwendung von kommerziellen Laserdioden kann dies mit 1 Watt und über längere Übertragungsdistanzen erreicht werden. Allerdings sind solche Bauelemente vergleichsweise teuer und 4 der Energieverbrauch ist immer noch bei weitem viel zu hoch, um den zukünftigen Anforderungen an Energieeffizienz zu entsprechen. Kommerziell erhältliche oberflächenemittierende Laserdioden sind wesentlich effizienter und benötigen typischerweise 30 Milliwatt (mw) zur Übertragung von 10 Gigabit pro Sekunde. Allerdings beträgt hierbei die maximale Übertragungsdistanz über Multimode-Glasfasern 300 Meter. In immer größer werdenden Rechenzentren wird jedoch vermehrt eine Übertragungsdistanz von 500 Metern und bis zu einem Kilometer benötigt. Mit den heutzutage erhältlichen Oberflächenemittern lassen sich solch langen Übertragungsstrecken nur erreichen, wenn die Datenrate reduziert wird. Da der Bedarf an Datenübertragung aber stetig wächst und durch neue Möglichkeiten der mobilen

5 Internetnutzung zur Zeit sogar beschleunigt zunimmt, müssen die zur Datenübertragung verwendeten Laserdioden auch schneller werden. Mit Laserdioden, die für den Einsatz in Untersee-Glasfaserkabeln entwickelt wurden, ließen sich längere Übertragungsdistanzen bei hohen Bitraten realisieren, doch sind diese Laserdioden wesentlich teuer und energiehungriger als Oberflächenemitter. Zudem ist die Multimode-Fasertechnologie aufgrund der billigeren Glasfaserverbindungen und der einfacheren optischen Einkopplung wesentlich günstiger als die in den Langstrecken-Verbindungen verwendeten Singlemode-Glasfasern. Die besten heutzutage erhältlichen oberflächenemittierenden Laserdioden zur Datenübertragung über Glasfasern sind also in ihrer Geschwindigkeit sowie der möglichen Übertragungsdistanz limitiert. Außerdem verbrauchen sie bei weitem zu viel Energie, um zukünftig energiesparende Datenübertragung immer größer werdender Datenmengen zu ermöglichen. Elektrische Leistung in Watt Benötigte Leistung für eine Datenübertragung mit 10 Gb/s 10 W Kupfer-Datenverbindungen Um 10 Gb/s über Kupferkabel zu übertragen, werden 10 W elektrischer Leistung benötigt. Optische Datenübertragung ist wesentlich effizienter. Konventionelle Laserdioden arbeiten mit 1 W elektrischer Leistung. Mit 0,03 W kommen kommerzielle Oberflächenemitter mit nur einem Bruchteil dieser Leistung aus. Die innovativen energieeffizienten Oberflächenemitter der TU Berlin arbeiten 10-mal effizienter als die effizientesten kommerziellen Laserdioden. Diese Laser sind die energieeffizientesten Lichtquellen für die optische Datenübertragung weltweit. Einschätzung des Marktes Konventionelle Laser 1 W Kommerzielle TUB / VIS 0.03 W W 30 mw Kommerziell 3 mw TUB / VIS Ektrische Leistung in Milliwatt Die von der Technischen Universität Berlin entwickelten hocheffizienten Oberflächenemitter verbinden einen extrem niedrigen Energieverbrauch mit einer höheren Datenrate und einer langen Übertragungsdistanz von mindestens einem Kilometer. Diese innovativen Laserdioden arbeiten temperaturstabil bei konstanten Betriebsströmen, wodurch weitere Energieeinsparung durch Verzicht auf aktive Kühlung oder energieverbrauchende Treiberschaltungen möglich sind. Eine Vermarktung der neuentwickelten energieeffizienten Laserdioden ist durch ein Startup der TU Berlin, VI Systems, gesichert. Anfragen von Intel und anderen globalen Firmen sind erfolgt. Die Firma VI Systems hat die Vermarktung eingeleitet. So sind Pressemitteilungen im nationalen und internationalen Umfeld erfolgt. Als Beispiele seien OpTecBB und Light reading angeführt. Um eine Markteinführung vorzubereiten, wurden die erzielten Ergebnisse bereits weltweit auf wichtigen internationalen Veranstaltungen vorgestellt. Als weitere Beispiele seien der Short-Distance High Density Optical Interconnects Roadmapping Workshop im 5 April 2011 in Stanford/USA, die Skolkovo Scientific Conference mit Schwerpunkt Energieeffizienz und Informationstechnologien im Mai 2011 in Skolkovo/Russland und das Standardisierungtreffen der Fibre Channel Industry Association im Juni 2011 in Coeur d Alene/USA genannt. Auf dem Gebiet der optischen Datenübertragung sind Standardisierungen sehr wichtig. Vertreter von VI Systems werden weiter aktiv weltweit an wichtigen Standardisierungstreffen teilnehmen. Große internationale Firmen wie Intel, IBM und Google forschen intensiv an optischen Technologien, insbesondere an

6 oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL), da sie großen Bedarf an schnellen und effizienten Lichtquellen sehen. Dies verdeutlicht, dass die Marktchancen von hocheffizienten Laserdioden für die optische Datenübertragung ausgesprochen gut sind. In IBMs modernen Supercomputern arbeiten bereits mehrere Millionen Oberflächenemitter. Die für die Jahre 2016 bis 18 erwarteten Exaflop-Supercomputer benötigen bereits über eine Milliarde energieeffizente Oberflächenemitter. Intel arbeitet intensiv an einer neuartigen optischen Schnittstelle für Computer, die dieses Jahr bereits eingesetzt werden soll. Nun könnte man einwenden, dass in Deutschland oft Hightech-Erfindungen gemacht werden, die Arbeitsplätze aber leider meist im Ausland entstehen. Dies ist aber gerade auf dem Gebiet der Oberflächenemitter nicht der Fall. Beispielsweise hat Ulm Photonics, eine der weltweit größten und erfolgreichsten Firmen in der Entwicklung von Oberflächenemittern, als Ausgründung der Universität Ulm begonnen. Diese Firma hat es von dem Uni-Keller an die Weltmarktspitze geschafft. Besonders hervorzuheben ist dabei, dass die gesamte Produktion in Deutschland stattfindet. Dies beweist, dass hochprofitable Massenproduktion von Lowcost-Produkten wie Oberflächenemittern auch in Hochlohnländern wie Deutschland möglich ist. VI Systems ist nicht die erste erfolgreiche Ausgründung der Technischen Universität Berlin im Bereich der optischen Technologien. Als Beispiel sei die LayTec AG genannt, die 2010 zum zweiten Mal in Folge als eine der 50 am schnellsten wachsenden Technologie-Firmen Deutschlands ausgezeichnet wurde. Außerdem erhielt LayTec den Preis Science Creates Jobs Dies ist ein hervorragendes Beispiel für die Schaffung von Arbeitsplätzen in einer der wichtigsten Zukunftstechnologien. Als weiteres Beispiel für die Stärkung des Standorts Berlin durch innovative Erfindungen aus dem universitären Umfeld sei u 2 t Photonics genannt. Die Firma u 2 t Photonics ist eine Ausgründung des Heinrich-Hertz-Institutes, die von Absolventen der TU Berlin gegründet wurde. Heute ist u 2 t Photonics ein Weltmarktführer auf dem Gebiet von Photodetektoren und Photoreceivern für die optische Datenübertragung. VI Systems und u 2 t Photonics profitieren bereits heute durch unterschiedliche Kooperationen bei der Entwicklung von Detektoren und Receivern von der Zusammenarbeit mit der TU Berlin. In der Region Berlin und Brandenburg gibt es eine einzigartige Ballung von Firmen oder Forschungseinrichtungen, die im Bereich optischer Technologien tätig sind. Diese kooperieren in vielfältigen Projekten oder sind durch Kompetenznetzwerke wie OpTecBB verbunden. Durch diese Vernetzung in OpTecBB kann die Herstellung ganzer Module oder Systeme vollständig in Berlin und Brandenburg realisiert werden. Damit besteht die einzigartige Möglichkeit, dass die gesamte Wertschöpfungskette eines innovativen Produktes mit weltweit exponentiell ansteigender Nachfrage in Berlin und Brandenburg lokalisiert ist. Durch eine solche virtuelle Fabrik können sich für beteiligte Firmen neue Marktanteile erschließen und damit Berlins herausragende Stellung im Bereich der optischen Technologien weiter gefestigt werden. Der Bereich der optischen Technologien besitzt in Berlin und Brandenburg wirtschaftlich wie wissenschaftlich eine überdurchschnittliche Wachstumsdynamik. Daraus hervorgegangen sind äußerst erfolgreiche Unternehmensgründungen wie die exemplarisch genannten Firmen u 2 t Photonics und LayTec. Wir wollen der Erfolgsgeschichte der optischen Technologien in Berlin und Brandenburg ein weiteres Kapitel hinzufügen: mit Green Photonics made in Berlin! Teile dieser Arbeit wurden im Rahmen des, Forschungsprojektes "100x100 Optics" des Zukunftsfondes des Landes Berlin, des EU FP7 Projektes VISIT und des SFB 787 der DFG gefördert. Die TU Berlin und VI Systems sind Mitglieder im Kompetenznetz Optec-Berlin-Brandenburg (OpTecBB) e.v. Technische Universität Berlin 100 Mbit/s für 100 Millionen Nutzer" Sonderforschungsbereich 787 Halbleiter-Nanophotonik Vertically Intagrated Systems Kompetenzzentrum für Nanostrukturen in der Optoelektronik 6 Vertically Integrated Systems for Information Transfer