20-mal geringere Lichtverluste: Glasfaser-Material kommt auf den Chip

Rechner und Computer-Prozessoren basieren auf dem Halbleitermaterial Silizium. Auf einem Siliziumchip befinden sich Milliarden kleiner Transistoren. Die Leistungsfähigkeit dieser Komponenten beeinflusst die Verarbeitungsgeschwindigkeit jedes Rechners.

Wissenschaftler des California Institute of Technology (Caltech) entwickelten ein Verfahren zur Übertragung von Lichtsignalen auf Siliziumwafern. Die auftretenden Lichtverluste fallen dabei geringer aus, als bei bisherigen Ansätzen. Besonders bei sichtbaren Wellenlängen erreicht die Technologie eine höhere Effizienz als bisherige Methoden. Diese Werte nähern sich der Leistungsfähigkeit klassischer Glasfasern an. 

Der Ansatz ermöglicht neue photonische integrierte Schaltungen (PICs). Diese Schaltungen arbeiten kohärent und benötigen im Betrieb weniger Energie. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie erstrecken sich über verschiedene Fachgebiete: Das Quantencomputing erfordert optische Pfade direkt auf dem Chip. KI-Rechenzentren benötigen solche Entwicklungen für das Verarbeiten größerer Datenmengen. Auch optische Uhren und Gyroskope zur Rotationsmessung nutzen diese Technik.

Glasfaser-Technologie auf den Chip gedruckt

Glasfasern bilden seit Jahren die Grundlage für viele Bereiche der modernen Kommunikationstechnologie. Das Glas im Inneren einer Glasfaser weist einen hohen Reinheitsgrad auf. Eine glatte Oberfläche prägt das Design dieser Lichtwellenleiter. Aufgrund dieser Materialeigenschaften legt Licht weite Strecken im Glasfaserkabel zurück. Es tritt geringe Dämpfung auf, da das Material Licht kaum absorbiert. Die Wissenschaft bezeichnet diese Eigenschaften als „ultralow loss performance“.

In der Forschung wird seit Jahren nach Lösungen für integrierte Chips gesucht. Ziel war es, die Eigenschaften spulenbasierter Glasfasern auf Siliziumwafer zu übertragen. Der geringe Verlust wie bei einer Glasfaserleitung sollte dabei weitgehend erhalten bleiben. Laut Caltech-Professor Kerry Vahala erreichte das Forschungsteam sein Ziel, indem glasartige Schaltkreise mit lithografischen Methoden auf Siliziumwafer gedruckt werden. Dafür nutzen die Fachleute Wafergrößen von 8 und 12 Zoll. Diese Wafer dienen weltweit als Basis für die Produktion von Microchips. Das US-Wissenschaftsmagazin „Nature“ veröffentlichte die Ergebnisse der hierzu verfassten Studie.

Germanosilikat ermöglicht Nanofabrikation

Die Forschenden fertigen die nanoskaligen Wellenleiter auf dem Chip aus Germanosilikat. Germanosilikat gehört zur gleichen Materialfamilie wie das Glas, das für die lichtführenden Kerne vieler Glasfasern verwendet wird. Die Caltech-Wissenschaftler passten das Material an ihr gewähltes, lithografiebasiertes Herstellungsverfahren an. Dadurch eignet sich das Glasmaterial für die Fertigung von Bauelementen auf Wafern. Die Lichtbahnen verlaufen auf der Chipoberfläche nicht in gerader Linie. Stattdessen winden sich die Bahnen in Spiralen über das Silizium.

Durch diese Anordnung legt das Licht einen längeren optischen Weg zurück. Gleichzeitig belegt die Spirale eine geringere Fläche auf dem Chip. Das Prinzip gleicht dem Aufwickeln einer Glasfaser auf eine Spule. Die Nanofabrikation ermöglicht diese Anordnung auf kleiner Fläche.

Die Wellenleiter aus Germanosilikat zeichnen sich durch geringere Signalverluste aus. Sie lassen sich anpassen und übertragen Licht zwischen Halbleiterlasern und Glasfasern. Dieser technische Faktor kann schon bald spürbar dazu beitragen, dass sich der Energiebedarf von Serverinfrastrukturen im Betrieb reduziert. Rechenzentren suchen dringend nach Methoden zur Senkung der Stromaufnahme.

Leistungsunterschiede im sichtbaren Lichtbereich

Im nahen Infrarotbereich erreicht die entwickelte Caltech-Plattform ähnliche Werte wie Baugruppen aus Siliziumnitrid. Siliziumnitrid wird in der optischen Industrie für die Datenübertragung genutzt. Bei sichtbaren Wellenlängen unterscheidet sich das neue Germanosilikat von bisherigen Materialien. Die entwickelte Plattform weist in diesem Spektralbereich geringere Verluste auf als Siliziumnitrid. Das genutzte Material besitzt eine niedrigere Schmelztemperatur. Dadurch lässt sich die Oberfläche im Ofen kontrolliert glätten. Die Unebenheiten der Oberfläche sinken auf das Niveau einzelner Atome. Streuverluste verringern sich durch diese Behandlung.Die Forschenden messen hierbei bisher eine Reduktion der Verluste gegenüber Siliziumnitrid um den Faktor 20. Das Team gibt an, dass das Verfahren noch weiteres Entwicklungspotenzial besitzt.

Anwendungen für Quantencomputing und optische Uhren

Das Verringern optischer Signalverluste verändert die Eigenschaften von optischen Bauelementen. Laser auf Basis der Caltech-Plattform zeigen eine verlängerte Lichtkohärenz. Die Kohärenzdauer übertrifft frühere Konstruktionen um mehr als das Hundertfache.

Die Forschenden erwarten durch die Entwicklung weitere praktische Schritte. Sie gehen davon aus, dass durch ihre Methode bald die Entwicklung atomarer Sensoren im Chip-Maßstab gelingt. Optische Uhren und Ionenfallen-Systeme für die Quantentechnologie könnten ebenfalls von der Technologie profitieren.