Chips mit Glasfaser-Leistung:
Neues Material bringt den Durchbruch

Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben eine Methode entwickelt, mit der sich Licht auf Silizium-Wafern mit außergewöhnlich geringen Verlusten leiten lässt. Das soll sehr leistungsfähige optische Verbindungen ermöglichen.

Viel besser als Siliziumnitrid

Bei sichtbaren Wellenlängen erreicht die Technik nahezu das Niveau von Glasfasern. Das könnte neue photonische integrierte Schaltungen ermöglichen, die Licht besonders effizient und kohärent verarbeiten. Einsatzmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler unter anderem bei optischen Uhren, Gyroskopen, der Kommunikation in KI-Rechenzentren und in Quantencomputern.

Für ihre Methode setzen die Forscher auf Germanosilikat, ein Glas, das auch in optischen Fasern verwendet wird. Daraus fertigen sie winzige Wellenleiter direkt auf den 8- und 12-Zoll-Wafern, die auch für herkömmliche Computerchips genutzt werden. Die Lichtwege verlaufen dabei nicht gerade, sondern spiralförmig. Dadurch kann das Licht auf kleinstem Raum eine deutlich längere Strecke zurücklegen, ähnlich wie bei einer aufgerollten Glasfaser.


Entscheidend ist die geringe Oberflächenrauheit der Wellenleiter. Mithilfe eines thermischen Verfahrens können die Forscher die Oberfläche so stark glätten, dass Streuverluste erheblich reduziert werden. Gerade bei sichtbarem Licht bietet die Technik dadurch deutliche Vorteile gegenüber etablierten Ansätzen mit Siliziumnitrid. Nach Angaben des Teams liegt der gemessene Verlust bei sichtbaren Wellenlängen etwa um den Faktor 20 unter dem bisherigen Rekord für Siliziumnitrid.

Kilometer Laufweg auf wenigen Millimetern

Auch die Eigenschaften darauf basierender Laser verbessern sich deutlich. Die höhere optische Qualität ermöglicht eine mehr als hundertfach längere Kohärenzdauer des erzeugten Lichts im Vergleich zu früheren Konstruktionen. Bei Resonatoren ist dieser Effekt besonders relevant: Obwohl die Bauteile nur wenige Millimeter groß sind, kann das Licht darin viele Meter oder sogar Kilometer an effektiver Strecke zurücklegen. Je weniger Energie bei jeder Umlaufbewegung verloren geht, desto leistungsfähiger werden solche Systeme.

Die Forscher demonstrierten bereits Ringresonatoren, verschiedene Lasertypen und nichtlineare Resonatoren zur Erzeugung unterschiedlicher Frequenzen. Die Technologie könnte damit präzise Zeitmessung, atomare Sensoren und Quantentechnik voranbringen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Team betont zugleich, dass die Entwicklung noch nicht abgeschlossen sei und weitere Verbesserungen der Verlustwerte angestrebt würden.


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