Innovative Ionenstrahltechnologie für Photonic Integrated Circuits (PICs)
Der integrierte Schaltkreis (engl. intgrated circuit, IC) oder Mikrochip ist aus modernen elektronischen Geräten nicht mehr wegzudenken. Moderne IC-Chips bestehen hauptsächlich aus Halbleiterscheiben und werden durch elektrische Signale gesteuert. Sie bestehen aus Tausenden oder Millionen winziger Bauteile wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Transistoren.
Da die Chips immer kleiner werden, sind die Herausforderungen groß. Doch die Lösung liegt in greifbarer Nähe. Mit ihrem enormen Potenzial sind photonische integrierte Schaltkreise auf dem besten Weg, der nächste große Schritt in der Welt der Mikrochips zu werden.
Ein photonischer integrierter Schaltkreis (engl. photonic integrated circuit, PIC) ist ein Mikrochip, der mehrere photonische (auf Licht basierende) Komponenten auf einer einzigen Plattform integriert, um Licht zu erzeugen, zu manipulieren und zu erkennen. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen integrierten Schaltkreisen, die Elektronen zur Übertragung von Informationen verwenden, nutzen photonische integrierte Schaltkreise Photonen (Lichtteilchen) zur Kommunikation und Datenverarbeitung.
Anwendungsbereiche von PICs
Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) haben viele praktische Anwendungen in verschiedenen Branchen. In der Telekommunikation sind sie für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung von entscheidender Bedeutung. Auch in Rechenzentren spielen sie eine wichtige Rolle, indem sie die Verbindungstechnik und optische Schaltsysteme für eine effiziente Datenverarbeitung verbessern. Darüber hinaus profitieren auch Sensortechnik- Applikationen von PICs, insbesondere in der Umweltüberwachung, im Gesundheitswesen und in der Industrie. Diese Schaltkreise ermöglichen die Entwicklung besonders kompakter und empfindlicher Sensoren zur Erkennung von Temperatur-, Druck- und chemischen Zusammensetzungsänderungen. Im medizinischen Bereich tragen PICs zu Fortschritten bei Diagnoseinstrumenten, Bildgebungstechnologien und therapeutischen Geräten bei.
Die Quanteninformatik ist ein weiterer Bereich, in dem PICs aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften erfolgversprechend sind. Derzeit wird ihr Potenzial für die Quanteninformationsverarbeitung, einschließlich der Manipulation von Quantenzuständen, erforscht. In Lidar-Systemen, die zur Fernerkundung und Kartierung eingesetzt werden, helfen PICs bei der Entwicklung kompakter und effizienter Geräte für Anwendungsbereiche wie autonome Fahrzeuge und Umgebungsüberwachung.
Außerdem halten PICs Einzug in die Unterhaltungselektronik und tragen zu hochentwickelten Displays, Kameras und tragbaren Geräten bei.
Laufende Forschungsarbeiten in der Materialwissenschaft könnten zur Integration neuer Materialien in PICs führen, die deren Fähigkeiten erweitern und sie für breitere Anwendungen geeignet machen könnten.
Höhere Bandbreite: Licht ermöglicht extrem hohe Datenmengen und bessere Leistung
Niedriger Energieverbrauch: Der Energieverbrauch ist geringer als bei elektronischen Schaltungen, was zu niedrigeren Betriebskosten und einem kleineren ökologischen Fußabdruck führt.
Kompakte Bauweise: Integriert mehrere optische Komponenten auf dem Chip - besonders wichtig für mobile und tragbare Technologien
Weniger Interferenzen: Optische Signale werden von elektromagnetischen Störungen weniger beeinträchtigt, was die Signalqualität verbessert
Skalierbarkeit: Flexible Erweiterungsmöglichkeiten für wachsende Datenanforderungen.
Materialien und Herstellung: Die Suche nach geeigneten Materialien und skalierbaren Verfahren stellt eine Herausforderung für die industrielle PIC-Produktion dar.
Integration mit bestehenden Technologien: Erfordert innovative Methoden; Materialkompatibilität erschwert die Integration von Chips.
Kosten: Hohe Anforderungen an die Präzision und komplexe Prozesse machen PICs teurer als elektronische Schaltungen, obwohl die Kosten tendenziell sinken.
SiN-Trimming für Wellenleiter
Die Messwerte für Si3N4 vor und nach dem Ionenstrahltrimmen zeigen die Verbesserung der Standardabweichung der Schichtdicke um den Faktor ~ 16.
Silizium (Si): Aufgrund seiner Kompatibilität mit CMOS-Technologien und seiner Fähigkeit, Licht zu leiten, wird es häufig in PICs verwendet.
Indiumphosphid (InP): Ideal für Anwendungen, die Laser und Detektoren erfordern, da es eine direkte Bandlücke aufweist.
Galliumarsenid (GaAs): Wird ebenfalls für optische Anwendungen verwendet, insbesondere in der Hochgeschwindigkeitskommunikation.
Silizium-Germanium (SiGe): Kombiniert die Vorteile von Silizium und Germanium, ideal für Hochfrequenzanwendungen.
Lithium-Niobat und Lithium-Tantalat, LNOI (Lithium-Niobat auf einem Isolator), rücken aufgrund ihrer hervorragenden elektrooptischen Eigenschaften in der Telekommunikation immer mehr in den Mittelpunkt.
Weitere Halbleiter wie SiN, AlN, TaO sind in jüngster Zeit in den Fokus des PIC-Designs für fortgeschrittene Anwendungen gerückt.
