Photonik auf Silizium-Chips Der lange Weg zur optischen Integration

In einer im letzten Jahr publizierten Marktuntersuchung mit dem Titel »Silicon Photonics: Big Investments, Small Business« räumen die Analysten von Yole Développement der Entwicklung photonischer Bauelemente in CMOS-Technologie ein außergewöhnliches Marktpotenzial ein. Allerdings sind noch substanzielle Hürden zu überwinden.

Die »Silicon Photonics« genannte Disziplin ermöglicht mittlerweile die Herstellung einer ganzen Familie von monolithischen optoelektronischen Bausteine. Das Ziel der Entwicklungen besteht natürlich darin, wirtschaftlich konkurrenzfähige optische Verbindungen in praktisch jeder Ebene eines elektronischen Systems zu realisieren. Heute lassen sich mit Ausnahme der Lichtquelle, also der Laser-Diode, alle optischen Funktionen auf einem SOI-Substrat (Silicon On Insulator) darstellen: Modulatoren, Detektoren und Wellenleiter sowie logische Elemente. Diese Funktionsblöcke werden in drei verschiedenen Anwendungen benötigt und eingesetzt:

  • Photonische Bauelemente mit einer Funktion: programmierbare optische Abschwächer (VOA – Variable Optical Attenuator), Multiplexer/Demultiplexer, aktive Filter, optische Schalter sowie „Optical Engines“, in denen elektronische Schaltkreise und optische Elemente miteinander kombiniert werden.
  • Transceiver-Produkte wie optische Module für Embedded-Anwendungen, optische Übertrager und Empfänger sowie aktive optische Kabel.
  • Prototypen wie Funktionsblöcke im hybriden Aufbau und 3D-ICs oder integrierte opto-elektronische Chips.

Darüber hinaus lassen sich passive optische Elemente wie Wellenleiter-Arrays, optische Filter, Koppler, Splitter und Polarisations-Arrays in Silizium realisieren und zusammen mit aktiven Elementen auf einem Chip integrieren.

Obwohl das Spektrum der Anwendungen im Bereich Silicon Photonics mittlerweile recht breit ist, bieten nur wenige Unternehmen solche Bausteine als reale Produkte an. Als potenzielle Märkte haben die Experten von Yole neben der Datenkommunikation in Datenzentren und Campus-Anwendungen die Hochleistungsrechner und die Telekommunikation ausgemacht. Sie schließen aber auch die Anbindung von PCs per Lichtwellenleiter an öffentliche Netze und im privaten Bereich mit ein. Ein technisch anspruchsvoller Bereich, in dem optische Übertragungstechnik eine Rolle spielt, ist die Studiotechnik mit der Audio-/Videotechnik, die auch im semiprofessionellen Fuß fasst. Als weitere Anwendungsbereiche haben die Yole-Marktforscher Messtechnik und Sensoren sowie die Medizintechnik identifiziert. Schließlich bleiben noch die Märkte Rüstung und Luftfahrt sowie die Anwendungen in wissenschaftlichen Instrumenten und Apparaturen.

Von allen Anwendungen ist die Datenkommunikation die weitaus Bedeutendste; für alle Datenübertragungsstrecken, die mit mehr als 10 Gbit/s arbeiten, wird die Verwendung optischer Verfahren interessant. Dabei machen die Marktforscher von Yole einen deutlichen Trend zu 25 Gbit/s und höher aus, hier bieten die Bausteine der Silicon Photonic klare Vorteile, sowohl bei den technischen Daten (Länge der Übertragungsstrecke) als auch bei den Kosten. Allerdings sind, wie immer bei einem Technologiebruch, den die integrierte Photonik durchaus mit sich bringt, noch erhebliche Problemen zu lösen. Dazu zählt nach Ansicht der Marktforscher, dass sich heute nur wenige Unternehmen auf diesem Markt bewegen. Zum anderen sind die Entwicklungs-Tools nicht ausgereift bzw. nicht vorhanden; so gibt es für die Integration von optischen und elektronischen Schaltungen auf einem Chip keine CAD/CAE-Programme. Darüber hinaus steht die integrierte Optik in Konkurrenz zu den VCSEL-Bausteinen (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), die derzeit das Rückgrat der optischen Übertragung in Datenzentren und Vermittlungsanlagen darstellen.

 

Foundry-Modell für Silicon Photonic

Die »Silicon Photonic«-Projekte werden seit einigen Jahren im Rahmen größerer Forschungsvorhaben öffentlich gefördert. Derzeit werden sogenannte Multi-Project Wafer Services gestartet, dazu zählt etwa die europäische »Silicon Photonics«-Plattform ePIXfab, die von der EU mitfinanziert wird. Es handelt sich um ein Konsortium, das von der belgischen Mikroelektronikforschungsstätte imec im Rahmen einer Partnerschaft mit der Stadt Gent koordiniert wird. Zu den Mitgliedern des Konsortiums zählen CEA-LETI (Frankreich); IHP (Deutschland), TNO (Holland), VTT (Finnland) und CMC Microsystems (Kanada). Das Konsortium versammelt das Know-how für die Realisierung von integrierten »Silicon Photonic«-Bausteinen vom Design bis zum Packaging und kann sozusagen als Fabless-Hersteller auftreten.

Die Marktforscher von Yole jedenfalls sehen die Zukunft der Silicon Photonic in einer Entkopplung von Design und Fertigung, also in einem Foundry-Modell. Dabei werden die Hersteller versuchen (müssen), so viele Prozesse wie möglich aus der CMOS-Fertigung zu übernehmen, insbesondere was das Wafer Bonding und die dreidimensionale Verbindungstechnik betrifft. Das Marktvolumen wird sich in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich verdreifachen, allerdings könnte nach 2020 der Markt regelrecht explodieren, nämlich dann, wenn die Kommunikation auf dem Chip und zwischen den Chips über optische Verbindungen läuft.