Silizium-Photonik – was verbirgt sich dahinter?

Mit Verfahren der Mikroelektronik lassen sich lithographisch einzelne Bausteine und komplette photonische Systeme auf Siliziumwafer drucken – Lichtwellenleiter, Linsen, Splitter, Optische Verstärker, Phasen-Modulatoren, Polarisationswandler etc. Das ermöglicht die Integration von Laser- und Sensorsystemen oder von Integrierten Photonischen Schaltungen (PICs – Photonic integrated Circuits) auf Chips.

ls wichtige Treiber für die Silizium-Photonik gelten der rasant steigende Energiebedarfs und die Hitzeentwicklung in Rechenzentren. Während elektronische Kabel, Schaltungen und Chips für jeden Datentransfer viel Energie benötigen, die zu einem Großteil als nutzlose Abwärme endet, ist die optische Datenübertragung weit energieeffizienter – Lichtwellenleiter zeigen selbst bei höchsten Datenraten praktisch keine thermische Reaktion.

Herausforderungen bestehen unter anderem darin, die miniaturisierten etwa 100 Nanometer dünnen Waveguides auf den Chips an übliche optischen Fasern mit Durchmessern im zweistelligen Mikrometerbereich anzubinden, oder hochreine Materialien für die oft nur ein Atom dünnen optischen 2D-Funktionsschichten auf den Chips zu entwickeln.

Heute arbeiten Forscher an kompletten LIDAR-on-a-Chip-Systemen ohne bewegliche Teile. Auch lassen sich komplexe Receiver- und Transmittersysteme mit Dutzenden Lasern, Modulatoren, Wave-Lockern, Detectoren etc. auf kaum fingernagelgroßen Chips unterbringen. Das hat nicht nur Kosten- und Bauraumvorteile, sondern führt zu robusten, funktional überlegenen Systemdesigns. Verschiedenste Photonische Chips lassen sich auf ein- und demselben Waver realisieren. Auf einen Chip passen heute weit über 1000 optische Komponenten, wobei diese Zahl mit der Weiterentwicklung nanophotonischer Verfahren und Komponenten auf einige zehn- bis hunderttausend Komponenten pro Chip steigen dürfte. Das Marktvolumen der Silizium Photonik wird laut Yole Développement bis 2025 von zuletzt rund 400 Millionen auf 1,4 Milliarden US-Dollar steigen.

Empfehlenswert sind der einführende Vortrag "The Revolution of Silicon Photonics" der Forschungs-Pionierin Prof. Michal Lipson an der New York Academy of Sciences und die vertiefende Fassung des Vortrages, den sie auch auf dem World of Photonics Congress 2019 in München gehalten hat. Einen hervorragenden Überblick über die Integrierte Photonik im Allgemeinen und die Silizium Photonik im Besonderen vermittelt ein Vortrag des belgischen Experten Prof. Dries Van Thourhout.