Was ist Siliziumphotonik?

Siliziumphotonik (SiPh) ist eine Plattform zum Bau photonischer integrierter Schaltkreise (PIC) für optische Kommunikation, Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und photonische Sensorgeräte. Das Halbleitersubstrat ist ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer. Mithilfe von Standardverfahren zur Halbleiterfertigung werden Komponenten auf einer photonischen Schicht aus Silizium (Si) hergestellt, das für Infrarotlicht transparent ist. Siliziumdioxid (SiO₂) oder Luft wird um das Silizium herum angeordnet, um einen hohen Brechungsindexunterschied zu erzeugen, der bewirkt, dass das Licht, das sich in den Komponenten bewegt, mit sehr geringen Verlusten durch den Schaltkreis fließt.

Integrierte photonische On-Chip-Schaltkreise sind sehr kompakt, verbrauchen weniger Energie, arbeiten mit höheren Geschwindigkeiten (über 100 Gbit/s) als herkömmliche photonische Bauelemente und übertragen Informationen schneller und effizienter als elektrische Schaltkreise. Diese Vorteile in Verbindung mit der Möglichkeit, standardmäßige CMOS-Fertigungstechniken (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) zu verwenden, sind der Grund für die rasche Zunahme von Chips mit Siliziumphotonik.

Mitte der 1980er Jahre schlugen Forscher*innen vor, für Photonen entwickelte Schaltkreise auf demselben Chip wie Schaltkreise für Elektronen zu platzieren. Photonische Schaltkreise emittieren, modulieren, schalten, verstärken und erkennen Licht. Monolithisch integrierte optoelektronische Siliziumchips waren eher unüblich, bis 2005 der Siliziummodulator entwickelt wurde, und die mit neuen Herstellungsverfahren verfügbare Linienbreite wurde dünn genug, um die für photonische Schaltkreise benötigten Wellenleiter zu konstruieren.

So wie elektronische Chips mit externen Schaltkreisen über Kugelgitter oder Drähte verbunden sind, wird Licht in und aus photonischen Chips mithilfe von optischen Fasern übertragen. Aufgrund ihrer höheren Frequenz und größeren Bandbreite können diese optischen Verbindungen mehr Daten mit höherer Geschwindigkeit übertragen als elektrische Verbindungen.

Anschließend werden dem Schaltkreis Laser hinzugefügt, um Licht zu erzeugen, sowie Photodetektoren in einem Empfängerschaltkreis, um die Energie, die Frequenz und andere Eigenschaften der Photonen zu messen. Die Stromzufuhr bzw. -abfuhr zu den einzelnen Geräten erfolgt mit herkömmlichen integrierten Schaltkreisen. Die Elektronik zur Umwandlung des Lichtsignals in ein elektrisches Signal kann sich auf demselben Chip oder in einer separaten Elektronik befinden. Diese Detektoren und Emitter werden mit On-Chip-Bauelementen kombiniert, um Licht zu modulieren (d. h. eine messbare Eigenschaft zu verändern), umzuschalten und zu verstärken, um wichtige Funktionen in optischen Netzwerken auszuführen, die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zu erleichtern oder physikalische Eigenschaften im Mikro- oder Makrobereich zu messen.

Einige der häufigsten photonischen Komponenten sind:

1. Wellenleiter: die „Drähte“ in einem photonischen Stromkreis, auf denen sich Photonen bewegen. Der Querschnitt, die Oberflächenrauheit und der Biegeradius eines Wellenleiters können sich stark auf das Licht auswirken, das sich innerhalb des Wellenleiters bewegt.
2. Optische Modulatoren: Komponenten, die die Phase, Amplitude, Polarisation, den Abstand und die Beugungseigenschaften eines Lichtstrahls verändern, um Informationen in den Strahl zu kodieren.
3. Lichtquellen: Halbleiterlaser verschiedener Art, die Licht im Schaltkreis erzeugen. Laser basieren nicht auf Silizium, sondern verwenden stattdessen III-V-Verbindungshalbleiter. Sie können extern sein oder auf demselben Chip wie der integrierte Photonikschaltkreis eingebaut sein.
4. Empfänger: Fotodetektoren, die Photonen absorbieren und die im Licht kodierten Informationen in ein elektrisches Signal umwandeln.
5. Optische Schalter: Bauelemente, die Licht mithilfe von Temperatur, Interaktion mit anderen Lichtquellen und Mikrokavitation lenken. Optische Schalter können viel schneller sein als mechanische, mikroelektromechanische (MEMS) oder elektrische Schalter.
6. Filter: Eine Vielzahl von Komponenten, die einen Bereich der physikalischen Eigenschaften von Licht nutzen, um Licht in einem gewünschten Frequenzbereich durchzulassen. Die Frequenz wird bei passiven Filtern durch die Geometrie und bei aktiven Filtern durch den elektrischen Eingang festgelegt.
7. Koppler: Bauelemente, die optische Signale aufteilen oder kombinieren.

Die hohe Leistungsfähigkeit der Siliziumphotonik hat dazu geführt, dass die Technologie elektrische oder elektromechanische Schaltvorgänge in der Kommunikation und elektrische Verbindungen in Gehäusen und zwischen Computerkomponenten sowie die Steuerung optischer Sensoren wie Lidar ersetzt hat. Die Technologie kann bestehende Lösungen ergänzen, indem sie eine photonische Stufe in einem ansonsten elektronischen System bereitstellt, wie z. B. ein-Chip-Transceiver für Glasfaseroptik und komplexe Signalverarbeitungsanwendungen, bei denen die Photonik besser funktioniert.

Die Verwendung von Licht zur Übertragung von Informationen hat erhebliche Vorteile gegenüber Elektronen, Funkwellen oder Mikrowellen. Die höhere Frequenz von Licht und seine vielfältigen Modalitäten (Frequenz, Amplitude, Phase usw.) ermöglichen die Übertragung von mehr Informationen bei geringem Energieverbrauch. Diese Vorteile vervielfachen sich, wenn die photonischen Bauelemente in denselben Chip eingebaut sind wie die für ihren Betrieb benötigte Elektronik, sodass kostengünstige Massenproduktionsverfahren eingesetzt werden können.

Da die Technologie optische Komponenten mit den elektrischen Schaltkreisen auf demselben Chip kombiniert, können optoelektronische Bauelemente in einem kleineren Formfaktor untergebracht werden als separate optische und elektrische Lösungen. Da das Licht mit sehr geringem Verlust durch die Wellenleiter fließt und aufgrund ihrer mikroskopischen Größe verbrauchen photonische Silizium-Bauelemente weniger Energie als elektrische oder eigenständige optische Bauelemente.

Der größte Vorteil der Siliziumphotonik ist jedoch die Nutzung bestehender CMOS-Fertigungssysteme. Halbleiterhersteller weltweit produzieren jährlich mehr als eine Billion Chips verschiedenster Art. Unternehmen nutzen die Tools, die zur Entwicklung, Herstellung, zum Packaging und zur Prüfung von Halbleiterhardware verwendet werden, auch für die Siliziumphotonik-Technologie. Viele Halbleiter-Foundries sind dabei, Standards für photonische Integrationsdesigns einzuführen, die eine schnellere, kostengünstigere und robustere Entwicklung neuer Produkte ermöglichen.

Selbst mit den derzeit modernsten Fertigungstechniken, die im Siliziumphotonik-Bereich zur Verfügung stehen, gibt es noch zahlreiche Herausforderungen, wenn es darum geht, die Anwendungen dieser Technologie zu erweitern. Einige ergeben sich aus den physikalischen Grundlagen, andere aus den Beschränkungen bei der Herstellung. Unternehmen und Universitäten betreiben Grundlagenforschung und praxisbezogene Recherchen, um diese Herausforderungen zu verstehen und zu überwinden.

Obwohl die Verwendung von SOI-Wafern die Herstellung vereinfacht, begrenzt Silizium die Frequenz des verwendeten Lichts, und das Material kann nicht für die Herstellung von Lasern und anderen benötigten Komponenten verwendet werden. Daher suchen die Forscher*innen nach Möglichkeiten, neue Materialien wie Siliziumnitrid (SiN) und Indiumphosphid (InP) einzubeziehen, um das Spektrum der Wellenlängen zu erweitern. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die Integration von III-V-Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) in den Fertigungsablauf, um On-Chip-Lichtquellen zu konstruieren.

Energieverluste in photonischen Schaltkreisen sind eine weitere Herausforderung, die Designer*innen durchdringen und bewältigen müssen. Selbst bei etwas so Einfachem wie dem Biegeradius eines optischen Wellenleiters müssen die Verluste als Kompromiss gegenüber der Kompaktheit betrachtet werden. Auch die Entscheidung, welche Art von optischen Modulatoren oder Filtern verwendet werden soll, kann eine Herausforderung darstellen. Wer sich mit der Anwendung der Siliziumphotonik für die Sensorik befasst, muss die Grenzen der Empfindlichkeit und Miniaturisierung überwinden.

Obwohl sie weniger teuer sind als andere Alternativen, sind die Kosten für Geräte, die SiPh nutzen, immer noch zu hoch für eine Massenanwendung. Derzeit werden Millionen von Chips mit dieser Technologie hergestellt. Photonische Komponenten müssten auf Milliarden von Chips pro Jahr skaliert werden, um die Kosten zu senken und eine breite Akzeptanz in Bereichen wie Rechenzentren und Telekommunikationsnetzen zu erreichen.

Die Anforderungen des optischen Systems müssen außerdem mit den Anforderungen der elektronischen Seite der Optoelektronik in Einklang gebracht werden. Befindet sich die Elektronik auf demselben Chip, muss der Fertigungsansatz die Anforderungen jeder Art von Signalverarbeitung berücksichtigen. Wird eine separate Elektronik verwendet, werden in der Regel fortschrittliche Halbleiter-Packaging-Techniken eingesetzt, um die beiden miteinander zu verbinden. Bei beiden Ansätzen kann sich die Wärmeentwicklung in der Elektronik auf das photonische System auswirken.

Die Kompaktheit, die relativ niedrigen Kosten, die Energieeffizienz und die geringe Latenzzeit der mithilfe der Siliziumphotonik geschaffenen optischen Lösungen machen sie für eine wachsende Zahl von Anwendungen einsetzbar. Die häufigste Anwendung ist die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über Glasfaser. Unternehmen wie Intel konzentrieren sich auf die Verbesserung der Fähigkeiten optischer Transceiver-Chips, um sie für eine breitere Palette von Anwendungen verfügbar zu machen. Viele der Chips werden in optischen Routern und Signalprozessoren verwendet, die Computer vernetzen.

Optische Netzwerke zwischen Knoten und optische Verbindungen innerhalb eines bestimmten Knotens können die Rechengeschwindigkeit für Hochleistungsanwendungen wie künstliche Intelligenz, Bitcoin-Mining und digitale Zwillinge erheblich steigern. Da die Rechengeschwindigkeit von Prozessoren zunimmt, wird die Bandbreite für die Datenübertragung zu einem Engpass, der mit der Siliziumphotonik beseitigt werden kann.

Zu den neu entstehenden Anwendungen, die die SiPh-Technologie für photonische Komponenten nutzen, gehören:

• Photonische Sensoren: SiPh-Sensoren können kleine Änderungen des Brechungsindex messen, die beim Durchgang von Licht durch eine Probe auftreten. Diese Änderungen können bestimmte Biomarker in biologischen oder Umweltproben identifizieren.
• Lidar: Lidar-Systeme zur Lichterkennung und Entfernungsmessung senden einen Lichtimpuls aus und messen die Rücklaufzeit. Siliziumphotonik-gestützte Lidar-Lösungen sind kompakter, verbrauchen weniger Energie und sind in der Herstellung kostengünstiger als Systeme, die aus einzelnen Komponenten bestehen.
• Quantencomputer und Vernetzung: Quantencomputer verwenden Photonen, um Berechnungen durchzuführen. Die Verwaltung von Licht in und zwischen Quantencomputern profitiert von der Geschwindigkeit, der Genauigkeit und den niedrigen Kosten der integrierten Photonikschaltkreise.

Seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren hat sich die Rolle der auf Siliziumphotonik basierenden Komponenten von der Unterstützung grundlegender Funktionen für die faseroptische Kommunikation in der Telekommunikation weiterentwickelt. Im Laufe der Zeit wurde die Siliziumphotonik immer häufiger eingesetzt, zunächst in der Computertechnik und jetzt auch in optischen Sensoren. Die Hersteller bieten Foundries für Unternehmen ohne eigene Fertigungsstätten an, wodurch die Technologie für ein breiteres Spektrum von Anwendungen nutzbar wird. Mit den gestiegenen Fertigungskapazitäten und einer wachsenden Zahl von Anwendungen haben sich auch die Konstruktions- und Simulationstools verbessert, sodass komplexere und effizientere Konstruktionen möglich sind.

Die nächste Generation monolithischer Bauelemente, zu denen auch elektronische und photonische integrierte Schaltkreise gehören, wird die Vorteile hybrider Fertigungsverfahren nutzen, bei denen andere Materialien als Silizium in die Bauelemente eingebracht werden. Außerdem werden präzisere Fertigungsmethoden, kleinere Strukturgrößen und fortschrittliche Halbleiter-Packaging-Methoden zum Einsatz kommen. Diese Änderungen werden die Bandbreite und die Geschwindigkeit der Datenübertragung in Datenkommunikations- und Hochleistungscomputeranwendungen erhöhen und möglicherweise die optische Sensortechnologie revolutionieren.

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