Chip

Integrierte Schaltkreise auf Siliziumbasis folgten dem Mooreschen Gesetz und wurden durch viele technologische Fortschritte in der Halbleitertechnologie vorangetrieben. Mit dem Aufkommen photonischer ICs blicken Forscher nun über herkömmliche Schaltkreisarchitekturen hinaus. Das Fehlen einer zuverlässigen Laserquelle auf Siliziumchips war jedoch eine große Hürde, die das Potenzial photonischer Silizium-ICs einschränkte.

In diesem Artikel untersuchen wir neue Forschungsergebnisse der Stanford University, die sich mit diesen Problemen befassen.

Laser sind Schlüsselkomponenten in optischen On-Chip-Systemen, aber eine technische Herausforderung im Zusammenhang mit Isolatoren erschwert die Wartung auf Chips. Das Licht des Lasers kann auf sich selbst reflektiert werden und ihn destabilisieren oder außer Gefecht setzen. Daher verwenden herkömmliche optische Fasern und sperrige optische Systeme optische Isolatoren, die den Faraday-Effekt nutzen. Obwohl dieser Ansatz auf Chips reproduzierbar ist, bleibt die Skalierbarkeit ein Problem, da er nicht mit der CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kompatibel ist.

Es gab auch Fortschritte bei der Herstellung magnetfreier Isolatoren oder Isolatoren, die nicht auf dem Faraday-Effekt beruhten. Sie führen jedoch zu komplexen und energieintensiven Systemen.

Forscher der Stanford University schlagen in ihrem in Nature Photonics veröffentlichten Artikel vor, dass ein idealer Isolator vollständig passiv und magnetfrei wäre, um skalierbar und mit der CMOS-Technologie kompatibel zu sein. Sie entwickelten einen effektiven passiven Chip-Scale-Isolator aus bekannten Halbleitermaterialien.

Ein optischer Isolator ermöglicht die Lichtübertragung nur in eine Richtung und unterdrückt so die reflektierten Wellen effektiv. Isolatoren, die auf dem Faraday-Effekt basieren, verwenden Faraday-Rotatoren, den Hauptbestandteil von Isolatoren, der bei Anlegen eines Magnetfelds eine Drehung der Polarisation des Lichts bewirkt.

Polarisationsabhängige Isolatoren verwenden einen Eingangspolarisator, einen Faraday-Rotator und einen Ausgangspolarisator. Bei Licht, das sich in Rückwärtsrichtung ausbreitet, polarisiert der Eingangspolarisator das Licht um 45 Grad. Der Faraday-Rotator dreht sich erneut um 45 Grad. Da der Ausgangspolarisator vertikal ausgerichtet ist, wird das horizontal polarisierte reflektierte Licht ausgelöscht.

Polarisationsunabhängige Isolatoren hingegen teilen zunächst die orthogonalen Komponenten des Eingangsstrahls mit einem Polarisator auf. Anschließend schicken sie sie durch einen Faraday-Rotator und kombinieren sie im Eingangspolarisator. Das reflektierte Licht erscheint versetzt und kann nicht durchgelassen werden.

Solche Systeme lassen sich nur sehr schwer auf Chips implementieren, da sie nicht mit der CMOS-Technologie kompatibel wären.

Die integrierten Dauerstrichisolatoren, die die Stanford-Forscher demonstrierten, arbeiten mit dem Kerr-Effekt. Es besteht aus Siliziumnitrid (SiN), einem der häufigsten Halbleitermaterialien, und lässt sich leicht in Massenproduktion herstellen.

Der Kerr-Effekt legt nahe, dass eine isotrope Substanz unter einem elektrischen Feld doppelbrechend wird und dass ein durch Licht verursachtes elektrisches Feld eine Änderung des Brechungsindex des Materials verursacht, die proportional zur Lichtbestrahlungsstärke wäre.

Letzterer Effekt wird bei intensiven Strahlen wie Lasern noch deutlicher. Der Kerr-Effekt im SiN-Ring unterbricht die Entartung zwischen Rechts- und Linksmoden des Rings und ermöglicht die Übertragung von Wellen auf nicht symmetrische Weise.

Der primäre Laserstrahl durchdringt den SiN-Ring und lässt die Photonen im Uhrzeigersinn um den Ring rotieren. Gleichzeitig sorgt der reflektierte Strahl dafür, dass sich die Photonen gegen den Uhrzeigersinn drehen.

Die Zirkulation im Inneren des Rings führt zum Energieaufbau. Die zunehmende Leistung wirkt sich auf den schwächeren Strahl (in diesem Fall den reflektierten Strahl) aus, während der stärkere Strahl unbeeinflusst bleibt.

Jelena Vučković, Professorin für Elektrotechnik an der Stanford University und leitende Autorin der Studie, und ihr Team bauten einen Prototyp als Proof of Concept und demonstrierten die Kopplung zweier Ringisolatoren in einer Kaskade, um eine überlegene Leistung zu erzielen. Sie berichten auch, dass sie durch Variation der Kopplung von Ringresonatoren einen Kompromiss zwischen Isolation und kopplungsbedingten Verlusten erzielen können.

Die Forscher planen außerdem, an Isolatoren für verschiedene Lichtfrequenzen zu arbeiten und werden an der Verkleinerung dieser Komponenten arbeiten, um andere Anwendungen der Isolatoren im Chip-Maßstab zu erkunden.