Die rasante Entwicklung von photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs), die mehrere optische Geräte und Funktionen auf einem einzigen Chip vereinen, hat die optische Kommunikation und Computersysteme revolutioniert.
Jahrzehntelang waren siliziumbasierte CIPs aufgrund ihrer Kosteneffizienz und ihrer Integration in bestehende Halbleiterherstellungstechnologien führend, obwohl sie bei der elektrooptischen Modulationsbandbreite an ihre Grenzen stießen. Optische Transceiver-Chips aus Silizium auf Isolator wurden jedoch erfolgreich vermarktet und gewährleisten den Informationsverkehr über Millionen von Glasfasern in modernen Rechenzentren.
In jüngster Zeit hat sich die Lithiumniobat-Wafer-Plattform auf Isolator aufgrund ihres hohen Pockels-Koeffizienten, der für die optische Hochgeschwindigkeitsmodulation entscheidend ist, als überlegenes Material für elektrooptische Modulatoren mit Photonenintegration herausgestellt. Hohe Kosten und komplexe Produktionsanforderungen haben jedoch eine breitere Einführung von Lithiumniobat verhindert und damit die kommerzielle Integration eingeschränkt.
Lithiumtantalat (LiTaO3), eine dem Lithiumniobat verwandte Verbindung, hat das Potenzial, diese Hindernisse zu überwinden. Es weist ähnliche elektrooptische Eigenschaften auf, hat aber gegenüber Lithiumniobat einen Skalierbarkeits- und Kostenvorteil, da es von der Telekommunikationsindustrie bereits häufig in 5G-Hochfrequenzfiltern eingesetzt wird.
Wissenschaftler unter der Leitung von Tobias J. Kippenberg von der EPFL und Xin Ou vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) haben kürzlich eine CIP-Plattform auf der Basis von Lithiumtantalat geschaffen. Die CIP nutzt die inhärenten Vorteile des Materials und kann das Feld verändern, indem sie hochwertige CIPs wirtschaftlich tragfähiger macht. Dieser Durchbruch wurde in der Zeitschrift Nature.
Die Forscherinnen und Forscher entwickelten eine Methode zum Verkleben von Wafern für Lithiumtantalat, die mit den Produktionslinien für Silizium auf Isolator kompatibel ist. Anschließend maskierten sie den Lithiumtantalat-Dünnfilmwafer mit diamantähnlichem Kohlenstoff und ätzten optische Wellenleiter, Modulatoren und Mikroresonatoren mit ultrahohem Qualitätsfaktor.
Das Ätzen erfolgte durch eine Kombination aus Deep-UV-Photolithographie und Trockenätztechniken, die ursprünglich für Lithiumniobat entwickelt und dann sorgfältig an das Ätzen des härteren und trägeren Lithiumtantalats angepasst wurden. Diese Anpassung umfasste die Optimierung der Ätzparameter, um den optischen Verlust zu verringern, der ein wichtiger Faktor für die Erzielung hoher Leistungen in photonischen Schaltkreisen ist.
Mit diesem Ansatz konnte das Team hocheffiziente CIPs auf Lithiumtantalatbasis mit einer optischen Verlustrate von nur 5,6 dB/m bei der Telekommunikationswellenlänge herstellen. Ein weiteres Highlight ist der elektrooptische Mach-Zehnder-Modulator (MZM). Dabei handelt es sich um ein Gerät, das in der heutigen Hochgeschwindigkeitskommunikation über Glasfaser weit verbreitet ist. Der Lithium-Tantalat-MZM bietet ein Halbwellenspannungs-Längenprodukt von 1,9 V cm und eine elektrooptische Bandbreite von 40 GHz.
"Unter Beibehaltung der hocheffizienten elektrooptischen Leistung haben wir auf dieser Plattform auch Soliton-Mikrokämme erzeugt", sagt Chengli Wang, Hauptautorin der Studie. "Diese Soliton-Mikrokämme weisen eine große Anzahl kohärenter Frequenzen auf. Wenn sie mit elektro-optischen Modulationsfähigkeiten kombiniert werden, eignen sie sich besonders für Anwendungen wie paralleles kohärentes LiDAR und Photonic Computing."
Die reduzierte Doppelbrechung des auf Lithiumtantalat basierenden CIP (Abhängigkeit des Brechungsindex von der Polarisation des Lichts und der Ausbreitungsrichtung) ermöglicht dichte Schaltungskonfigurationen und garantiert umfangreiche Betriebsfähigkeiten in allen Telekommunikationsbändern. Diese Arbeit ebnet den Weg für die skalierbare und kostengünstige Herstellung von fortschrittlichen elektrooptischen CIPs.
Sonstige Mitwirkende
Chengli Wang, Zihan Li, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Wil Kao, Xinru Ji, Junyin Zhang, Terence Blesin, Alisa Davydova, Yang Chen, Kai Huang, Xi Wang, Xin Ou, Tobias J. Kippenberg. Lithium Tantalate Photonic Integrated Circuits for Volume Manufacturing. Nature, 8. Mai 2024. DOI: 10.1038/s41586’024 -07369-1.
