Ein Physiker- und Chemiker-Team der Universität Heidelberg hat einen photonischen Mikrochip über Das Forschungsteam hat einen neuromorphen photonischen Prozessor mit 17 Ports angesteuert. einen „Stecker“ anzusteuern, statt ihn mit großem experimentellem Aufwand zu betreiben – diese Vision haben Physiker und Chemiker der Universität Heidelberg nun verwirklicht. Ihre Entwicklung könnte die Grundlage bilden für eine schnelle und kostengünstige Produktion von photonischen integrierten Systemen, die für die Realisierung von innovativen Rechen- und Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind.

Photonische integrierte Systeme können für Rechen- und Kommunikationssysteme genutzt werden. Die Forschung an diesem Verbindungskonzept für lichtgesteuerte Chips wurde am Kirchhoff-Institut für Physik durchgeführt.
 

Worum geht es?

Photonische integrierte Schaltkreise sind Mikrochips, die Licht anstelle von Elektronen zur Informationsübertragung nutzen. Sie bieten extrem hohe Bandbreiten bei den Datenraten, weisen nur minimale Verzögerungen bei den Übertragungszeiten auf und sind dabei deutlich energieeffizienter als herkömmliche elektronische Systeme. Alle wichtigen optischen Komponenten wie zum Beispiel die Wellenleiter befinden sich direkt auf dem Chip. So ersetzen sie sperrige Aufbauten aus Spiegeln und Linsen durch kompakte Strukturen.

Wozu braucht man das?

Photonic Integrated Circuits (PICs) sind für Technologien wie Quantenkommunikation, neuromorphes Computing oder optische Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendbar.


Eine der technischen Herausforderungen…

der PICs liegt allerdings im Ein- und Auskoppeln der Daten: Um das Licht möglichst verlustfrei auf den Chip zu übertragen, werden zumeist optische Fasern verwendet. Sie müssen mit einer Genauigkeit von unter fünf Mikrometern in allen Raumrichtungen positioniert werden, da sonst ein Großteil des Lichts verloren geht. Bislang erfolgt diese Justierung über aktives Alignment. Dabei werden die Glasfasern während des Betriebs präzise auf maximale Lichtübertragung ausgerichtet und anschließend fixiert. Dieser Prozess ist nach Angaben der Heidelberger Wissenschaftler jedoch langsam, teuer und schwer zu automatisieren.

Eine Alternative besteht darin…

auf den Fasern und Chips winzige Mikrolinsen zu integrieren, um Toleranzen bei der Ausrichtung zu vergrößern. Die Fabrikation der Linsen ist sehr aufwendig und funktioniert nur für einen schmalen Wellenlängenbereich, was zulasten der hohen Bandbreite der Datenraten – einem der Hauptvorteile der Photonik – geht.

Ein neues Konzept für die Verbindung von Faser und Chip

Die Wissenschaftler nutzen Glasfaserkabel, die in einem Glasblock präzise angeordnet und mit standardisierten Ausrichtungslöchern versehen sind. Das für die Kopplung erforderliche passende Gegenstück, das wie ein „Stecker“ funktioniert, wird mithilfe von präzisem 3D-Mikrodruck direkt auf der Oberfläche des photonischen Mikrochips gefertigt.

Die Ein- und Auskopplung von Glasfaser zu photonischen Chips erfolgt via dreidimensional gedruckte Totalreflexionskoppler, die die Lichtwellen verlustarm umlenken. Diese superbreitbandigen Koppler sind für die in der Telekommunikation typischen Wellenlängen zwischen 1.500 und 1.600nm ausgelegt und gewährleisten dort eine praktisch konstante Transmission. Durch diese Stecklösung gehen garantieren Kopplungsprozess keine Daten verloren.

Ausblick

Das Forschungsteam hat einen neuromorphen photonischen Prozessor mit 17 Ports angesteuert. Das Verbindungskonzept soll auch kompatibel zu hybriden Systemen aus Elektronik und Photonik sein. Außerdem werden modulare, flexibel rekonfigurierbare Architekturen unterstützt. Damit könnte der „Stecker“ zu einem nützlichen Baustein für Rechen- und Kommunikationssysteme und in der optischen Sensortechnik werden.

Die Arbeiten wurden gemeinsam mit Forscherinnen des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg durchgeführt. Sie waren eingebunden in das Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“.