Kommunikationsprozesse lassen sich mit photonischen Bauteilen schneller und gleichzeitig energieeffizienter gestalten. Vor allem Letzteres scheint dringend angeraten, denn bereits heute verbraucht die Informations- und Kommunikationstechnik mehr als zehn Prozent des gesamten Stroms in Deutschland, und der Datenverkehr wächst unaufhörlich. Die Entwicklung leistungsfähiger optischer Sender und Empfänger, die auf Mikrochips integriert sind, ist auch schon weit gediehen. Allerdings war es bislang noch nicht zufriedenstellend möglich, die Grenzen von Halbleiterchips optisch zu überbrücken. Nun hat ein Team von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine neuartige optische Verbindung zwischen Halbleiterchips entwickelt.
„Photonic Wire Bonding“ nennt sich das Ganze, und es soll hohe Datenübertragungsraten im Bereich einiger Terabit pro Sekunde ermöglichen. Bei ihrer Forschungsarbeit hatten die Wissenschaftler mit der Schwierigkeit zu kämpfen, die Chips präzise zueinander auszurichten, damit ein Lichtwellenleiter in den anderen trifft, berichtet Christian Koos, Professor an den KIT-Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) und für Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Mitglied des Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN).
Diese Herausforderung sind die Forscher so angegangen: „Wir haben die Chips zunächst fixiert und dann einen Lichtwellenleiter auf Polymerbasis in genau passender Form strukturiert“, erklärt Professor Koos. Um den Verlauf der Verbindung an die Position und die Orientierung der Chips anzupassen, erarbeiteten die Karlsruher Wissenschaftler ein Verfahren zur dreidimensionalen Strukturierung des Lichtwellenleiters. Dabei griffen sie auf die so genannte Zwei-Photonen-Polymerisation zurück, die eine hohe Auflösung ermöglicht: Ein Femtosekundenlaser schreibt die Freiform-Wellenleiterstruktur direkt in ein Polymer, das sich auf der Oberfläche der Chips befindet.
Für das Vorgehen verwendeten die KIT-Forscher ein Laserlithografiesystem der Firma Nanoscribe, einer Ausgründung des KIT. „Unsere Prototypen der �??Photonic Wire Bonds‘ wiesen im Bereich der infraroten Telekommunikationswellenlängen um 1,55 Mikrometer äußerst geringe Verluste und eine große Übertragungsbandbreite auf“, so Professor Koos.
In ersten Experimenten gelang es den KIT-Wissenschaftlern, bereits Datenübertragungsraten von über fünf Terabit pro Sekunde zu erreichen. Als mögliche Anwendungsfelder ihrer „Photonic Wire Bonds“ geben sie komplexe Sender-Empfänger-Systeme zur optischen Telekommunikation an, aber auch ein Einsatz in der Sensorik und der Messtechnik sei möglich. Professor Christian Koos weist schließlich noch auf einen durchaus nützlichen Vorzug der KIT-Entwicklung hin: „Da sich die hochpräzise Ausrichtung der Chips bei der Herstellung erübrigt, eignet sich das Verfahren hervorragend für die automatisierte Produktion in hohen Stückzahlen.“ In einem nächsten Schritt wollen die KIT-Forscher die „Photonic Wire Bonding“-Technologie nun zusammen mit Partnerfirmen in die industrielle Anwendung bringen.
