Forschenden am Caltech ist es gelungen, optische Schaltkreise aus demselben Glas wie Glasfasern direkt auf handelsübliche Siliziumwafer zu drucken – mit Signalverlusten im sichtbaren Wellenlängenbereich, die an Glasfasern heranreichen. Die Ergebnisse wurden in einer neuen Studie in Nature veröffentlicht.

Das Team um Kerry Vahala, Professor für Informationswissenschaft und -technologie sowie Angewandte Physik am Caltech, hat Germanosilikatglas – das Material optischer Fasern – für die standardmäßige, auf Lithografie basierende Chipherstellung angepasst. Die Wellenleiter sind spiralförmig angeordnet, sodass Licht in einem nur etwa zwei Zentimeter großen Chip mehrere Meter optischen Weg zurücklegen kann – ähnlich wie eine Faser auf eine Spule gewickelt wird.

Ein zentraler Kniff ist ein „Reflow“-Schritt: Da das Material eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur hat, können die Bauteile in einen Ofen gelegt werden, um die Wellenleiteroberflächen auf atomare Glätte zu bringen und so die starken Streuverluste zu unterdrücken, die photonische Chips mit sichtbarem Licht lange begrenzt haben. Im sichtbaren Wellenlängenbereich übertrifft die neue Plattform den bisherigen Rekord von Siliziumnitrid um das Zwanzigfache – und es gebe noch Raum für weitere Verbesserungen, berichten die Forschenden.

Geringere Verluste zahlen sich direkt in der Geräteleistung aus: Laser auf dieser Plattform zeigen eine mehr als hundertfache Verbesserung der Kohärenzzeit ihres emittierten Lichts. Die breite Wellenlängenabdeckung könnte zudem chipgroße Atomsensoren, optische Uhren, Gyroskope, Ionenfallen-Systeme und energieeffizientere Rechenzentrums-Kommunikation für KI-Workloads ermöglichen.

„Dieser Wandel hin zu faserähnlicher Leistung, insbesondere im sichtbaren Bereich, wird neue Technologien ermöglichen, die von vernachlässigbar geringen Energieverlusten in Schaltkreisen profitieren“, sagte Vahala. Die Studie mit dem Titel „Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared“ wurde von Postdoktorand Hao-Jing Chen und Doktorand Kellan Colburn geleitet; beteiligt waren auch Forschende der UC Santa Barbara, der Universität Leiden und der University of Southampton. Gefördert wurde die Arbeit von DARPA, dem Air Force Research Laboratory, dem Engineering and Physical Sciences Research Council und dem Kavli Nanoscience Institute des Caltech.

Quellen