Wie Heidelberger Wissenschaftler photonische Prozessoren ansteuern

Einen photonischen, also einen lichtgesteuerten Mikrochip ebenso einfach wie elektronische Komponenten über einen „Stecker“ anzusteuern, statt ihn mit großem experimentellem Aufwand zu betreiben – diese Vision haben Physiker und Chemiker der Universität Heidelberg nun verwirklicht. Ihre Entwicklung könnte die Grundlage bilden für eine schnelle und kostengünstige Produktion von photonischen integrierten Systemen, die für die Realisierung von innovativen Rechen- und Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind. Die Forschung an diesem neuartigen Verbindungskonzept für lichtgesteuerte Chips wurde unter Leitung von Prof. Dr. Wolfram Pernice am Kirchhoff-Institut für Physik durchgeführt.

Photonische integrierte Schaltkreise sind Mikrochips, die Licht anstelle von Elektronen zur Informationsübertragung nutzen. Sie bieten extrem hohe Bandbreiten bei den Datenraten, weisen nur minimale Verzögerungen bei den Übertragungszeiten auf und sind dabei deutlich energieeffizienter als herkömmliche elektronische Systeme. Alle wichtigen optischen Komponenten wie zum Beispiel die Wellenleiter befinden sich direkt auf dem Chip. So ersetzen sie sperrige Aufbauten aus Spiegeln und Linsen durch kompakte Strukturen. Diese Photonic Integrated Circuits – kurz PICs – besitzen großes Innovationspotential für Technologien wie Quantenkommunikation, neuromorphes Computing oder optische Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Eine der größten technischen Herausforderungen der PICs liegt allerdings im Ein- und Auskoppeln der Daten: Um das Licht möglichst verlustfrei auf den Chip zu übertragen, werden zumeist optische Fasern verwendet. Sie müssen mit einer Genauigkeit von unter fünf Mikrometern in allen Raumrichtungen positioniert werden, da sonst ein Großteil des Lichts verloren geht. Bislang erfolgt diese Justierung über aktives Alignment. Dabei werden die Glasfasern während des Betriebs präzise auf maximale Lichtübertragung ausgerichtet und anschließend fixiert. Dieser Prozess ist nach Angaben der Heidelberger Wissenschaftler jedoch langsam, teuer und schwer zu automatisieren. Eine Alternative besteht darin, auf den Fasern und Chips winzige Mikrolinsen zu integrieren, um Toleranzen bei der Ausrichtung zu vergrößern.

Die Fabrikation der Linsen ist jedoch sehr aufwendig und funktioniert nur für einen sehr schmalen Wellenlängenbereich, was zulasten der hohen Bandbreite der Datenraten – einem der Hauptvorteile der Photonik – geht. Das Heidelberger Forschungsteam setzt hier an, indem es ein neuartiges Konzept für die Verbindung von Faser und Chip entwickelt hat. Die Wissenschaftler nutzen dazu Glasfaserkabel, die in einem Glasblock präzise angeordnet und mit standardisierten Ausrichtungslöchern versehen sind. Das für die Kopplung erforderliche passende Gegenstück, das wie ein „Stecker“ funktioniert, wird mithilfe von hochpräzisem 3D-Mikrodruck direkt auf der Oberfläche des photonischen Mikrochips gefertigt.

Die Ein- und Auskopplung von Glasfaser zu photonischen Chips erfolgt via dreidimensional gedruckte Totalreflexionskoppler, die die Lichtwellen verlustarm umlenken. Diese superbreitbandigen Koppler sind für die in der Telekommunikation typischen Wellenlängen zwischen 1.500 und 1.600 Nanometern ausgelegt und gewährleisten dort eine praktisch konstante Transmission. „Durch diese innovative Stecklösung garantieren wir, dass beim Kopplungsprozess keine Daten verloren gehen“, so Erik Jung, der als Doktorand der Forschungsgruppe von Prof. Pernice angehört. Mit ihrem neuartigen Verbindungskonzept ist es den Forscherinnen und Forschern der Universität Heidelberg gelungen, einen neuromorphen photonischen Prozessor mit 17 Ports, das heißt Kommunikationssendepunkten, effizient anzusteuern.

„Unser Ansatz zeigt, wie sich breitbandige, verlustarme und skalierbare Verbindungen für lichtgesteuerte Mikrochips einfach realisieren lassen. Mit diesem ,Stecker‘ ist der Weg frei für eine automatisierte, reproduzierbare und effiziente Massenproduktion von photonischen integrierten Systemen“, so Wolfram Pernice. Nach den Worten von Erik Jung ist das Verbindungskonzept auch kompatibel zu hybriden Systemen mit der Integration von Elektronik und Photonik; zugleich werden auch modulare, flexibel rekonfigurierbare Architekturen unterstützt. Damit könnte der „Stecker“ zu einem zentralen Baustein für Rechen- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation und zukünftige Anwendungen, zum Beispiel in der optischen Sensortechnik, werden.

Die Arbeiten unter der Leitung von Prof. Pernice wurden gemeinsam mit Forscherinnen des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg durchgeführt. Sie waren eingebunden in das Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Science Advances“ erschienen.