Integrated Photonics

Manche Expertinnen und Experten sprechen von einer stillen Revolution. Andere sehen Integrated Photonics als „Emerging Technology“ mit dem Potenzial, ganze Branchen zu verändern. Doch was genau macht die junge Technologie, die auch als „Silizium-Photonik“ geläufig ist, zum „Game-Changer“?

Die kurze Antwort: Dank des hohen Integrationsgrads entfällt in vielen Anwendungen die Wandlung elektronischer Signale in optische – und umgekehrt. Damit werden aus optoelektronischen Systemen rein optische.

Das hat viele Vorteile: Die Signalübertragung per Licht anstelle von Elektronen ist viel schneller und energieeffizienter. Anstatt Elektronen mit begrenzter Bandbreite und hohem Wärmeverlust in Kupferleitungen einzuspeisen, kann intelligent moduliertes Licht parallel viele verschiedene Informationen über ein- und denselben Wellenleiter übertragen.

Höchste Geschwindigkeit und Energieeffizienz

Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, werden bisher voneinander getrennte, durch diverse Kopplungsstellen zum optoelektronischen System verbundene Laser-/LED-Lichtquellen, Wellenleiter, Modulatoren, Wandler etc. auf einem Chip integriert. Die Fachwelt spricht von Photonic Integrated Circuits (PICs). Analog zu elektronischen Schaltkreisen auf Halbleiterchips integrieren PICs komplexe photonische Schaltkreise auf kostengünstigen, weil massenhaft produzierten Siliziumchips.

Die Integration aller benötigten optischen Komponenten von den Strahlquellen über Transistoren, Speicher, Modulatoren, Polarisatoren oder Detektoren auf einem Chip ist der Schlüssel für eine rein optische Informationsverarbeitung und -übertragung in bisher ungekannter Geschwindigkeit und Energieeffizienz. Und obendrein lassen sich sowohl viele eingesetzte Materialien als auch etablierte Produktionstechnik sowie die arbeitsteiligen Produktionsprozesse der Halbleiterindustrie auf die Herstellung von PICs übertragen. Auch das trägt zum schnellen Siegeszug der Technologie bei, der seit einigen Jahren scheinbar unaufhaltsam voranschreitet.

Hochrelevant für zahlreiche Branchen

Wo Laser Schaltkreise statt mit Elektronen mit Photonen speisen, die lithographisch in Chips eingebrachte Wellenleiter verlustfrei transportieren, und wo Wandler nicht mehr Elektronen und Photonen wandeln, sondern Lichtsignale im Sinne getrennter Kanäle auf unterschiedliche Wellenlängen bringen, wird hocheffiziente Informations- und Kommunikationstechnik real. Die enorme Kühlaufwand von Rechenzentren und elektronischen Hochleistungschips wird dank Integrierter Photonik auf ein Minimum reduziert, obwohl im Gleichschritt die Bandbreiten exponentiell steigen. Alle großen Chiphersteller und Betreiber von Rechenzentren setzen mittlerweile auf Integrated Photonics.

Damit ist das Einsatzspektrum längst nicht erschöpft. Weil bei der jungen Technologie minimale Wärmeentwicklung, Miniaturisierung und Integration Hand in Hand gehen, sind PICs auch bei Herstellern von Sensoren, Mobilen Endgeräten, LiDAR-Systemen für autonome Fahr- und Flugzeuge sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder in der Medizintechnik gefragt. Forschungsinstitute und Start-ups in aller Welt treiben die Entwicklung mit Hochdruck voran.

Mooresches Gesetz findet photonische Fortsetzung

Das Ende der 1960er Jahre postulierte und seither gültige Moor´sche Gesetz, wonach sich die Komplexität integrierter Schaltkreise alle ein bis zwei Jahre verdoppelt, stößt mittlerweile an physikalische Grenzen. Auf Basis elektronisch integrierter Schaltkreise wird es nicht weitergehen. Auch hier liegt die Zukunft in Photonic Integrated Circuits.