Photonics Jüngste Forschungsergebnisse

Die Änderung des Brechungsindex

Der Markt der Photonik-Halbleiter bietet bereits eine Menge spannender Produkte. Aber die Forschung blickt weiter und präsentiert neue Verfahren, die möglicherweise schon bald in neuen, energieeffizienteren und genaueren Produkten Einzug halten.

Der Markt der Photonik-Halbleiter bietet bereits eine Menge spannender Produkte. Aber die Forschung blickt weiter und präsentiert neue Verfahren, die möglicherweise schon bald in neuen, energieeffizienteren und genaueren Produkten Einzug halten.
Der PIC-Markt (PIC: Photonic Integrated Circuits) belief sich laut QY Research 2017 auf 510 Mio. Dollar und soll laut dem Marktforschungsinstitut bis 2025 auf 2750 Mio. Dollar ansteigen. Das entspricht einem durchschnittlichen Jahreswachstum von 23,4 Prozent.

Als die wichtigen Player im Silicon-Photonic-Markt bezeichnet QY Research die Firmen Acacia, Luxtera, Intel, Cisco, Mellanox, Finisar, Globalfoundries, Hamamatsu, IBM, Juniper, STMicroelectronics, Broadcom, Ciena, Neophotonics, Oclaro und Reflex Photonics. Darüber hinaus sind aber auch viele Forschungsinstitute aktiv und stellen immer wieder diverse Weltneuheiten vor. So haben Forscher des IHP und der TH Wildau beispielsweise auf der IEDM 2018 den ersten integrierten elektrooptischen HF-Modulator vorgestellt, der den quadratisch elektrooptischen Effekt nutzt und mit einer CMOS-kompatiblen Treiberspannung arbeitet. Darüber hinaus zeichnet sich der Modulator durch die Möglichkeit aus, die Amplitude der modulierten Trägerwelle abzustimmen. Der Modulator auf Siliziumbasis wurde mithilfe von Prozessschritten etablierter Photonic-Schaltungstechnik gefertigt und in einem nachfolgenden Prozess mit einem nichtlinearen optischen Polymer abgedeckt.

Die Forscher konnten zeigen, dass die Abstimmbarkeit der Schaltung bis zu 350 pm/V beträgt und somit modernste Silizium-Modulatoren um eine Größenordnung übertrifft. Außerdem konnte der Ringresonator so ausgelegt werden, dass er mit 87 aJ/bit (aJ: Attojoule, 10–18 J) einen extrem niedrigen Energieverbrauch aufweist.

Die Implementierung optischer Modulatoren auf Silizium-Basis hat den Nachteil, dass Silizium als Material keine effizienten elektrooptischen Eigenschaften (EO-Eigenschaften) aufweist. Also wurden viele neue Materialien untersucht, die nicht mit diesem Nachteil behaftet waren. Ein erfolgreicher Ansatz bestand in der Integration organischer Materialien, die off-resonante EO-Eigenschaften aufweisen und die Manipulation von Amplitude und Phase unabhängig voneinander ermöglichen. Der lineare elektrooptische Effekt (LEOE) von Polymeren ermöglicht eine große Bandbreite, hohe Geschwindigkeiten und geringe Leistungsaufnahme, was bereits in sogenannten SOH-Modulatoren (Silicon-Organic Hybrid) ausgenutzt wurde.

Allerdings gab es Bedenken hinsichtlich des praktischen Einsatzes des LEOE. Er erfordert eine Polung des Polymers mit Hochspannung, was zu thermischen und langfristigen Stabilitätsproblemen führt. Im Gegensatz dazu tritt der quadratische elektrooptische Effekt (QEOE, Kerr-Effekt) in Polymeren in jeder molekularen Orientierung auf, sodass die Polung nicht notwendig und damit eine Langzeitstabilität gewährleistet ist. QEOE wiederum hat das Problem, dass hohe elektrische Feldstärken erforderlich sind, was dazu führte, dass dieser Ansatz lange Zeit für ungeeignet für Low-Voltage-Anwendungen erachtet wurde.

Den Forschern ist es jetzt aber gelungen, eine HF-Modulation mit CMOS-kompatiblen Treiberspannungen für einen QEOE-basierten Modulator zu erreichen. Es konnte eine lineare Amplitudenabstimmung der modulierten Trägerwelle durch Hinzufügen einer Offset-Spannung realisiert werden. Außerdem ist es den Forschern gelungen, die Polymere mit QEOE mithilfe eines PIC-kompatiblen (Photonic Integrated Circuit) Prozessablaufs zu realisieren. Diese Entwicklung öffnet den Weg zu Ultra-Low-Power-Basiskomponenten wie abstimmbare Filter, Schalter und HF-Modulatoren.