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Filter und Modulator integriert

Photonischer Chip für optische Netzwerke

29. Dezember 2023, 10:36 Uhr | Heinz Arnold

Alvaro Casas Bedoya und Ben Eggleton vom Nano Institute der Universität von Sydney.

Forscher der Universität von Sydney haben ein photonisches Filter und einen Modulator auf einem einzigen Chip kombiniert: Er Signale über ein weites HF-Band präzise detektieren.

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Das bringt photonische Chips einen Schritt näher, die eines Tages die sperrigeren und komplexeren elektronischen HF-Chips in optischen Netzwerken ersetzen könnten.

Dier Technik der Forscher basiert auf der Brillouin-Streuung. Dabei handelt es sich um eine Wechselwirkung von optischen Wellen mit akustischen Gitterschwingungen (akustische Phononen), die Léon Brillouin erstmals vorausgesagt hatte. Zum Einsatz kommt die stimulierte Brillouin-Streuung, wozu elektrische Felder Druckwellen in bestimmten isolierenden Materialien wie optische Fasern erzeugen.

Chalkogenide kombinieren Elemente der 16. Gruppe des Periodensystems (insbesondere Schwefel, Selen oder Tellur) mit elektropositiveren Elementen wie Silber.
2011 erkannten die Forscher d der Universität von Sydney, dass sich die Brillouin-Streuung nutzen lässt, um hochauflösende Filter zu realisieren. Sie entwickelten neue Verfahren, um Lichtwellenleiter aus Chalkogeniden auf einem Silizum-Chip herzustellen. 2023 gelang es ihnen erstmals, einen photonischen Filter und einen Modulator auf einen einzigen Chip zu integrieren. Dieser Chip erreicht eine spektrale Auflösung von 37 MHz über ein weites HF-Band, wie sie in einem Aufsatz in Nature Communications im November 2023 näher beschrieben.

»Der Durchbruch bestand darin, dass der Modulator und der aktive Lichtwellenleiter integriert werden konnte«, sagt David Marpaung von der University Twente in den Niederlanden. Marpaung hatte vor einem Jahrzehnt mit dem Team in Sydney gearbeitet und leitet jetzt seine eigene Forschungsgruppe, die aber einen anderen Ansatz verfolgt, um einen photonischen Sensor in einem kleinen Gehäuse zu entwickeln, der eine hohe Präzision bei einer weiten Bandbreite bietet. Seiner Meinung nach müsste eine spektrale Auflösung von 10 MHz bei einem 100-GHz-Band erreicht werden, um die üblichen, klobigeren elektronischen HF-Chips ersetzen zu können. Ein weiterer Vorteil wäre, dass diese Chips in der Lage wären, HF-Signale in optische Signale umzusetzen, um sie direkt über optische Netze übertragen zu können. Wer dieses Wettrennen gewinne, dem stünde ein großer Markt offen.

» Chalkogenide weisen einen sehr guten Billouen-Effekt auf, die Frage, ob sie auch skalierbar sind, bleibt aber offen. Es handelt sich um ein Material, das bisher das Laborstadium noch nicht verlassen hat«, erklärt Marpaung. Die Gruppe in Sydney habe einen Weg finden müssen, um die Lichtwellenleiter auf einen Siliziumchip in ein nur 5 mm x 5 mm großes Gehäuse zu quetschen, was nicht einfach gewesen wäre.

Marpaung selber zeigt in einem Aufsatz, der sich noch im Review-Prozess befindet, dass Lithiumniobat bessere Modulatoreigenschaften als Silizium hat, und vergleichbare Auflösungen über Brillouin-Streuung erreichen kann. 2022 hatte eine Gruppe unter Führung von Peter Rakich von der Yale University gezeigt, dass ein Lichtwellenleiter aus Silizium in Kombination mit einem Chip auf eine Filterauflösung von 2,7 MHz bei 6 GHz Bandbreite kommt. Darin war noch kein Modulator integriert, deutet aber darauf hin, dass die Integration einfacher und unter Einsatz von weniger Materialien durchgeführt werden könnte.

Alvaro Casas Bedoya und Ben Eggleton vom Nano Institute der Universität von Sydney.