Silizium-Photonik

Entwurf von Photonisch-Elektronischen ICs

Die Siliziumphotonik ist ein relativ junges Forschungsgebiet. Man versteht darunter die Realisierung optischer Komponenten und Systeme, die Silizium für die Verarbeitung und Übertragung von optischen Signalen auf einem Chip verwenden. Das Silizium wird strukturiert, um optische Wellenleiter, optische Filter, Modulatoren, Detektoren und andere optische Bauelemente zu realisieren.

Silizium ist transparent für Infrarotlicht, für sichtbares Licht ist es intransparent. Für Kommunikationsanwendungen mittels Siliziumphotonik wird meist Infrarotlicht mit Wellenlänge von 1300nm und 1550 nm verwendet, die seit vielen Jahren auch zur Datenübertragung in Glasfaserkommunikationssystemen verwendet werden. Für Sensoranwendungen sind auch andere Wellenlängen möglich. Weil Siliziumphotonik-Schaltungen mit denselben Prozessschritten und Geräten hergestellt werden können wie gewöhnliche Mikrochips, kann man optische und elektronische Funktionen auf dem gleichen Chip realisieren. Anwendungen für derartiger Schaltungen liegen in der Übertragung von digitalen Signalen für schnelle Internetverbindungen, energieeffiziente Datenkommunikation in Super-Computern, optische Datenkabel („optical USB cable“), aber auch hochempfindliche Sensorik z.B. für die Detektion von Bio-Molekülen oder Gasen.

Die Fachgruppe Schaltungstechnik befasst sich mit dem Entwurf von integrierten photonisch-elektronischen Schaltungen in Siliziumphotonik-Technologie. Die Arbeiten werden in Kooperation mit dem IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik durchgeführt. Fig. 1 zeigt verschiedene integrierte Siliziumphotonik-Bauelemente, die in der Fachgruppe entwickelt und in der SG25ESS-Technologie des IHP gefertigt wurden.

Im Fokus unserer Arbeiten stehen derzeit

  • Entwurf von monolitisch-integrierten opto-elektronischen Empfänger- und Sendeschaltungen mit Datenraten bis 100 Gbit/s
  • Entwurfsmethodik für integrierte photonisch-elektronischer Systeme (photonic-electronic SoC)
  • Optische Sensoren für hochgenaue Drehwinkelmessgeber
Fig.1: Integrierte Siliziumphotonik-Bauelemente: Kreuzung zweier optischer Wellenleiter (oben links), Gitterkoppler zur Einkopplung von Licht (oben rechts) und 2x4 Mach-Zehnder-Interferometer-Koppler (unten)