Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben kürzlich einen großen technologischen Durchbruch angekündigt. Sie haben erfolgreich eine neue Technologie entwickelt, die einen äußerst geringen Verlust der optischen Signalübertragung auf Siliziumwafern erreichen kann und deren Leistung sogar das Niveau herkömmlicher optischer Fasern im sichtbaren Lichtband erreicht.
Dieser Erfolg stellt einen wichtigen Schritt auf dem Gebiet der photonischen integrierten Schaltkreise (PICs) dar und ebnet den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation optoelektronischer Geräte mit ausgezeichneter Kohärenz und extrem geringem Energieverlust. Die Forschung beschreibt eine Methode zur Verwendung optischer Fasermaterialien, um optische Pfade direkt auf dem Chip aufzubauen, und die entsprechende Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Mit ihrem extrem hochreinen Glasmaterial und der atomar glatten Oberfläche sind Glasfasern seit langem zum Eckpfeiler globaler Kommunikationsnetze geworden und können riesige Datenmengen mit äußerst geringem Verlust übertragen. Ein Team unter der Leitung von Kerry Vahala, Professor für angewandte Physik sowie Informationswissenschaft und -technologie am California Institute of Technology, hat sich zum Ziel gesetzt, den Herstellungsprozess dieser optischen Faser auf die Siliziumwafer zu übertragen, die bei der Herstellung von Computerchips verwendet werden. Das Forschungsteam verwendete das gleiche Germanosilikatglasmaterial wie optische Fasern und baute mithilfe der Fotolithographie-Technologie einen Lichtübertragungskanal namens „Wellenleiter“ auf dem Chip auf. Um das Problem der Oberflächenrauheit im mikroskopischen Maßstab zu lösen, haben die Forscher einen innovativen Prozess eingeführt: Sie legen den Chip zur „Reflow“-Bearbeitung in einen Hochtemperaturofen, sodass die Wellenleiteroberfläche geschmolzen und auf atomarem Niveau geglättet wird. Diese Verarbeitung unterdrückt Lichtstreuverluste erheblich und löst den entscheidenden Engpass, der die Entwicklung photonischer integrierter Schaltkreise im sichtbaren Lichtband lange Zeit behindert hat.
Testergebnisse zeigen, dass die Leistung dieses neuen Chips im Nahinfrarotband der derzeit führenden Siliziumnitrid-Technologie entspricht, während seine Leistung im sichtbaren Lichtband einen qualitativen Sprung gemacht hat, wobei der Verlust auf ein Zwanzigstel des Siliziumnitrid-Rekords reduziert wurde. Diese extrem verlustarme Eigenschaft hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Geräteleistung. Beispielsweise haben Laser, die mit dieser Technologie gebaut wurden, optische Kohärenzzeiten, die mehr als 100-mal länger sind als bestehende Versionen. Hao-Jing Chen, der Erstautor der Forschungsarbeit und Postdoktorand am Caltech, wies darauf hin, dass die Erweiterung der Wellenlängenabdeckung dieser Plattform viele wichtige atomare Operationen unterstützen und die Implementierung von Atomsensoren, optischen Uhren und Ionenfallensystemen im Chip-Maßstab ermöglichen wird.
Obwohl diese Chips nur etwa 2 Zentimeter groß sind, weist ihr interner optischer Pfad eine Spiralstruktur auf, die die Ausbreitungsstrecke des Lichts auf kleinem Raum erheblich verlängert. Der Doktorand Kellan Colburn erklärte, dass bei wichtigen optischen Komponenten wie Ringresonatoren die Verluste umso geringer und die Leistung des Geräts umso besser sind, je länger das Licht darin zirkuliert. Jede 10-fache Verlustreduzierung führt zu einer 100-fachen Verbesserung der Kohärenz. Diese Technologie ist nicht nur so vielseitig wie ein „Schweizer Taschenmesser“ und kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, die von hochpräziser Zeitmessung, Rotationsmessung (Gyroskop) bis hin zu Quantencomputern und -sensorik reichen, sie ist auch von großer Bedeutung für die Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs der Serverinfrastruktur von Rechenzentren. Obwohl das Forschungsteam feststellte, dass die aktuellen Ergebnisse noch nicht das endgültige Ziel erreicht haben, haben die erheblichen Fortschritte in den letzten fünf Jahren einen klaren Plan für zukünftige Anwendungen der photonischen Technologie gezeichnet.