Neue Funktionen für die Silizium-Photonik

Jena / 21. Februar 2023

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF wollen im Rahmen des Projektes SILIQUA untersuchen, wie sich siliziumbasierte Photonik-Technologien mit neuen Funktionalitäten ausstatten lassen. Damit ebnen sie den Weg für preiswertere, schnellere und leistungsfähigere Technologien – etwa in der Kommunikation und Datenverarbeitung, aber auch in der Sensorik. Das Projekt ist nun gestartet und wird im Rahmen des Fraunhofer-Attract-Programms gefördert.

Silizium ist ein häufig verwendetes Material in der Halbleiter- bzw. Chipfertigung. Forschende am Fraunhofer IOF wollen nun eine neue Generation aktiver Silizium-Photonik-Bauelemente entwickeln, die sich in bereits bestehende elektrische und optische Chiptechnologien integrieren lassen und dort neuartige Funktionen erfüllen können. Das ist das Ziel des Forschungsprojektes SILIQUA (»Silicon-based Photonic Building Blocks for On-Chip Lighting, Modulation, Sensing and Quantum Applications«), das nun am Fraunhofer IOF in Jena gestartet ist.

Im Fokus der Arbeit stehen dabei insbesondere die Entwicklung und Herstellung von Infrarot-Lichtquellen sowie Modulatoren und Sensoren. Zunächst sollen photonische Wellenleiterarchitekturen und Resonatoren entwickelt werden, in denen Lichtwellen auf dem Chip geführt werden. Diese werden mit elektro-optisch aktiven oder optischen nicht-linearen Beschichtungen bzw. Defekten funktionalisiert, und können daraufhin als vielseitige Komponenten für neuartige photonischen Silizium-LEDs, Laser, Quantenlichtquellen, Modulatoren und Sensoren eingesetzt werden. Dabei sollen Design und Prozesse in der Herstellung der Komponenten mit Methoden des maschinellen Lernens optimiert werden.

Enormes Wachstum photonischer Technologien auf Siliziumbasis

In den vergangenen Jahrzehnten haben auf Silizium basierende photonische Technologien ein explosionsartiges Wachstum erlebt. Neben bereits technologisch ausgereiften Lösungen, etwa im Bereich der On-Chip-Kommunikation oder der biochemischen Sensorik, konnten zuletzt besondere Fortschritte bei komplexen Optiken wie photonischen Quantenprozessoren erreicht werden, bei denen alle notwendigen Bauteile wie Lichtquellen, Modulatoren und Detektoren auf einem einzigen Chip integriert sind.

Diese integrierten Optiken, die auch als »Photonic Integrated Circuits« (kurz: PIC) bezeichnet werden, zeichnen sich durch eine besonders hohe Funktionalität aus. Bei der Herstellung dieser PICs werden Technologieplattformen bestehend aus unterschiedlichen Materialsystemen verwendet. Unter diesen ist die Siliziumplattform einzigartig, da sie auf bereits etablierten Fertigungstechnologien basiert und daher neuen Funktionalitäten eine einfache Markteinführung ermöglicht. Sie ist kompatibel mit der marktbeherrschenden CMOS (»Complementary Metal-Oxide-Semiconductor«) Technologie in der Mikoelektronik und erlaubt damit die gleichzeitige Integration elektrischer und optischer Funktionalitäten. Darüber hinaus ist die Siliziumplattform weitgehend unabhängig von seltenen und teuren Materialien und erlaubt daher ein große Wertschöpfung bei Herstellern und verringert deren strategische Abhängigkeiten.

Anwendungsfelder in den Bereichen Kommunikation und Sicherheit

Durch die Integration der Siliziumresonatoren in Lasern, Quantenlichtquellen oder Sensoren eröffnen sich zahlreiche Anwendungsfelder in den Bereichen Kommunikation und Sicherheit, der Unterhaltungselektronik sowie der Mobilität und Raumfahrt. So lassen sich z. B. schnellere Mobiltelefone und Computer herstellen, die neue Funktionen erfüllen und noch dazu energie- und kosteneffizient produziert werden können. Weit darüber hinaus können die neu entwickelten Silizium-PICs auch für Anwendungen im Bereich des Quantencomputing oder in der Telekommunikation nützlich sein.

Koordiniert wird das Projekt durch das Fraunhofer IOF. Darüber hinaus kooperieren die Forschenden in verschiedenen Disziplinen mit der Universität Jena, den Helmholtz Zentren in Berlin und Dresden sowie dem Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Das Projekt wird im Rahmen des Fraunhofer-Attract-Förderprogramms durch die Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Insgesamt 2,5 Millionen Euro Forschungsgelder fließen in das Projekt, das zu gleichen Teilen vom Fraunhofer IOF und der Fraunhofer-Gesellschaft getragen wird.

Über das Fraunhofer-Attract Förderprogramm

Das Fraunhofer-Attract-Förderprogramm ermöglicht es Forschenden, ihre Ideen anwendungsorientiert weiterzuentwickeln. Durch die Förderung sollen externe Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in die Lage versetzt werden, ihre Forschung innerhalb eines Fraunhofer-Instituts an der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft in die Anwendung zu überführen.