Photonik fit
für die Zukunft: Integrierte Mikrophotonik
Seit der Erfindung der Elektrizität hat kaum eine
Technologie so umfangreich Einzug in den menschlichen Alltag gehalten wie der
integrierte elektronische Schaltkreis. Diesen Erfolg verdankt die
Siliziumelektronik einer beispielslosen Miniaturisierung und Automatisierung.
Der Photonik stand eine entsprechende Plattformtechnologie bislang nicht zur
Verfügung. Zahlreiche unterschiedliche Materialien zur Erzeugung, Manipulation
und Detektion von Licht sowie hohe Anforderungen an die Justierung erschwerten
sowohl eine zur Siliziumelektronik analoge Miniaturisierung als auch eine
vergleichbare Automatisierung der Herstellung.
Dennoch werden seit geraumer Zeit auch in der Photonik
erhebliche Anstrengungen unternommen, die systemischen Vorteile der
Mikrointegration so weit wie möglich zu übernehmen. Die Anwendungen sind
vielfältig: Von der Telekommunikation über die Konsumelektronik, die Sensorik
und Messetechnik bis hin zu den Lebenswissenschaften stellt die Möglichkeit,
ein optisches System zu miniaturisieren, die notwendige Bedingung für die
Realisierung innovativer Produkte dar. Deutsche Unternehmen partizipieren auf
vielfältige Weise und überaus erfolgreich am Weltmarkt für mikrooptische Systeme.
Für den sich abzeichnenden Wandel hin zur mikrooptischen Integration befinden
sie sich in einer sehr guten Ausgangsposition. Vom Design über Mikrostrukturierung und
Materialintegration bis zur Aufbau- und Verbindungstechnik zielt die
Fördermaßnahme „Integrierte Mikrophotonik“ darauf ab, das erforderliche
Know-How für die optische Mikrointegration in Verbundprojekten zu erarbeiten
und für eine breite Verwendung verfügbar zu machen. Das BMBF stellt für die
Partner dieser Förderinitiative in zwölf Verbundprojekten etwa 40 Mio. Euro
bereit.
Optische Datenübertragung der
nächsten Generation
Mit den ständig steigenden Datenübertragungsraten kommen die Vorteile der optischen Datenübertragung immer stärker zum Tragen. Gängige elektronische Übertragungsverfahren haben den Nachteil, dass sie die geforderten Übertragungsraten nur noch auf kurzen Entfernungen leisten. Da auch für die Zukunft von einem unverminderten Anstieg der Übertragungsraten auszugehen ist, wird die elektronische Übertragung auf immer geringere Reichweiten reduziert werden und die Bedeutung des optischen Datentransfers entsprechend ansteigen.
Bei
Hochleistungsrechnern und großen Datenzentren ist die optische Kommunikation
für Übertragungsdistanzen ab dem Meterbereich (Rack to Rack) bereits
unverzichtbar. Die Industrie- und Unterhaltungselektronik werden diesem Trend mittelfristig
folgen, während die nächsten Schritte bei Hochleistungsanwendungen zu noch
kürzeren Entfernungen von einigen Dezimetern (Board-to-Board-Interconnects) zu
nur wenigen Zentimetern (On-Board bzw. Chip-to-Chip_Interconnects) führen
werden.
Das
vorliegende Verbundprojekt erforscht ein neues Verfahren zur optischen
Verdrahtung von optoelektronischen Chips. Es handelt sich also um eine Aufbau-
und Verbindungstechnologie für die künftige Chip-to-Chip-Datenübertragung.
Multi-Chip-Integration und optische Verdrahtung mit
3D-Laser-Polymerisation
Bei einer
hybriden optischen Integration kommen verschiedene Halbleiter zum Einsatz. Im
Regelfall bestehen die Lichtquellen aus III-V-Verbindungshalbleitern, da es
bislang nicht gelungen ist, Laserdioden bei vergleichbaren Leistungsparametern
auf Basis des universellen und kostengünstigen Siliziums herzustellen. Silizium
verwendet man daher fast ausschließlich zur Herstellung passiver Komponenten
und elektro-optischer Modulatoren. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit, eine
optische Verbindung zwischen den beiden Materialplattformen herzustellen, die
in Form verschiedener Chips auf einem Board montiert werden.
Bislang
existiert noch keine universelle Lösung für dieses Problem.
Vielmehr werden eine beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Konzepte
entwickelt und bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Konkurrierende
Lösungsansätze beruhen entweder auf einer monolithischen Integration aktiver
und passiver Komponenten, die mit immensem technologischem Aufwand verbunden
ist, oder auf einer nachträglichen faserbasierten Verbindung der
Einzelkomponenten. Die Problematik liegt dabei in den vergleichsweise hohen
Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des optischen Leiters und an die
optische Qualität der Kontaktstelle. Beides muss für unterschiedliche Arten von
Chips und deren optische Ausgänge mit gleichbleibender Präzision bei günstigen
Kosten erreicht werden.
Der
Lösungsansatz des Verbundprojekts liegt in der Nutzung eines
Zweiphotonen-Polymerisationsverfahrens, bei dem die optische Verbindung direkt
am Chip von einem Laser erzeugt wird. Auf diese Weise können den jeweiligen
Anforderungen entsprechend optimal angepasste optische Schnittstellen erzeugt
werden. Eine aufwändige Justage entfällt damit vollständig. Das
Herstellungsverfahren eine High-Tech-Variante des so genannten 3D-Druckens dar.
Die optische Verbindung wird von einem Laser direkt vor Ort mit hoher Präzision
im Volumen eines Polymers strukturiert. Im Vorhaben wird also eine innovative
optische Prozesstechnologie für die Aufbau- und Verbindungstechnik der
nächsten Generation optischer Datenübertragung angewendet.[K3]
Ziel des beantragten
Verbundprojektes PHOIBOS ist die Erforschung, Entwicklung und Umsetzung eines für
die industrielle Fertigung geeigneten Konzepts zur Hybridintegration von
mikrooptischen Systemen. Dieses Konzept ermöglicht es, verschiedene Substratmaterialien
in einem durchgängigen Multi-Chip-Ansatz miteinander zu kombinieren und dabei
die Vorteile der einzelnen Plattformen gezielt zu nutzen. Es bildet die
Grundlage für photonische Systeme mit bislang unerreichter Leistungsfähigkeit
und Kosteneffizienz und einem dementsprechend hohen Anwendungs- und
Marktpotenzial.
Im Zentrum des angestrebten
Integrationskonzeptes steht eine als photonisches
Wirebonden (engl. Photonic Wire Bonding) bezeichnete Methode, die es
erlaubt, photonische Schaltkreise über Chipgrenzen hinweg miteinander zu
verbinden. Mit dem hier beantragten Projekt sollen die technologischen
Voraussetzungen für eine industrielle Umsetzung dieses Verfahrens geschaffen
werden. Dabei werden folgende Ziele verfolgt:
- Entwicklung und Demonstration eines für
die automatisierte industrielle Fertigung
tauglichen Konzeptes zur Herstellung von photonischen Multi-Chip-Modulen, die integriert-optische Systeme
auf verschiedenen Substraten miteinander kombinieren
- Entwicklung und Demonstration von Geräte- und Prozesstechnologien in
Gestalt von photonischen Wirebondern
, die dür industrielle Anwendungen eingesetzt werden können
- Realisierung und Erprobung von Multi-Chip-Transceiver-Modulen und
optischen Interconnects auf Basis der phtonischen Mulit-Chip-Integration
