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Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Mikrostrukturtechnik

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Tel. +49 721 608 26824

Email: Christian KoosOph3∂kit edu

Das Projekt: Integrierte Mikrophotonik

Photonik Forschung Deutschland Förderinitiative „Integrierte Mikrophotonik“

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] 

Projektziele

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