09 März Ein Steckverbinder für PICs
Eine der größten technischen Herausforderungen von photonisch integrierten Schaltkreisen (Photonic Integrated Circuits, PICs) liegt im Ein- und Auskoppeln der Daten: Um das Licht möglichst verlustfrei auf den Chip zu übertragen, werden zumeist optische Fasern verwendet. Sie müssen mit einer Genauigkeit von unter fünf Mikrometern in allen Raumrichtungen positioniert werden, da sonst ein Großteil des Lichts verloren geht. Bislang erfolgt diese Justierung über aktives Alignment. Dabei werden die Glasfasern während des Betriebs präzise auf maximale Lichtübertragung ausgerichtet und anschließend fixiert. Dieser Prozess ist langsam, teuer und schwer zu automatisieren. Eine Alternative besteht darin, auf den Fasern und Chips winzige Mikrolinsen zu integrieren, um Toleranzen bei der Ausrichtung zu vergrößern. Die Fabrikation der Linsen ist jedoch sehr aufwendig und funktioniert nur für einen sehr schmalen Wellenlängenbereich, was zulasten der hohen Bandbreite der Datenraten – einem der Hauptvorteile der Photonik – geht.
Glasblock und 3-D-Mikrodruck
Forschende der Universität Heidelberg berichten nun von einem neuartigen Konzept für die Verbindung von Faser und Chip. Unter Leitung von Prof. Dr. Wolfram Pernice am Kirchhoff-Institut für Physik nutzen die Forschenden dazu Glasfaserkabel, die in einem Glasblock präzise angeordnet und mit standardisierten Ausrichtungslöchern versehen sind. Das für die Kopplung erforderliche passende Gegenstück, das wie ein Stecker funktioniert, wird laut den Forschenden mithilfe von hochpräzisem 3-D-Mikrodruck direkt auf der Oberfläche des photonischen Mikrochips gefertigt.
Die Ein- und Auskopplung von Glasfaser zu photonischen Chips erfolgt via dreidimensional gedruckte Totalreflexionskoppler, die die Lichtwellen verlustarm umlenken. Diese superbreitbandigen Koppler sind für die in der Telekommunikation typischen Wellenlängen zwischen 1500 und 1600 nm ausgelegt. „Durch diese innovative Stecklösung garantieren wir, dass beim Kopplungsprozess keine Daten verloren gehen“, so Erik Jung, Doktorand der Forschungsgruppe. Mit ihrem neuartigen Verbindungskonzept ist es den Forscherinnen und Forschern nach eigenen Angaben gelungen, einen neuromorphen photonischen Prozessor mit 17 Ports, das heißt Kommunikationssendepunkten, effizient anzusteuern.
Ein Schritt Richtung Massenproduktion
„Mit diesem Stecker ist der Weg frei für eine automatisierte, reproduzierbare und effiziente Massenproduktion von photonischen integrierten Systemen“, so Pernice. Laut Jung ist das Verbindungskonzept zudem kompatibel zu hybriden Systemen aus Elektronik und Photonik; zugleich werden auch modulare, flexibel rekonfigurierbare Architekturen unterstützt. Damit könnte das Steckerkonzept zu einem zentralen Baustein für Rechen- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation und zukünftige Anwendungen, zum Beispiel in der optischen Sensortechnik, werden.
Die Arbeiten wurden gemeinsam mit Forscherinnen des Institute for Molecular Systems Engineering and Advanced Materials der Universität Heidelberg durchgeführt. Sie waren eingebunden in das Exzellenzcluster ‚3D Matter Made to Order‘.
Originalveröffentlichung:
[E. Jung, H. Gehring, F. Brückerhoff-Plückelmann, L, Krämer, C. Vazquez-Martel, E. Blasco und W. Pernice: Ultrabroadband plug-and-play photonic tensor core packaging with sub-dB loss. Science Advances, 26. September 2025, DOI: 10.1126/sciadv.adz1883]
Quelle: www.uni-heidelberg.de
Bild: Erik Jung