Mit Algorithmen produktionsreife photonische Schaltungen designen
Mit Inverse Design entwickeln Forschende Komponenten, die 500-mal kleiner sind als herkömmliche.
Photonische Mikrochips können Daten enorm schnell verarbeiten und sind in einer Vielzahl heutiger Technologien verbaut. Einer Kollaboration des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und der Harvard University ist es nun gelungen, drei funktionsfähige Komponenten für solche Chips zu entwickeln, die bis zu 500-mal kleiner sind als herkömmliche Designs. Die Forschenden nutzten dafür das Inverse Design, ein computergestützter Algorithmus.
Photonische Mikrochips zählen zu den Schlüsseltechnologien der modernen Datenverarbeitung. Ihre Miniaturisierung bei gleichzeitig extrem schneller Verarbeitung von Daten im Vergleich zu elektronischen Komponenten macht sie zu wichtigen Bestandteilen beispielweise der in Telekommunikation, Präzisionsmesstechnik und Quantentechnologien. Dabei wird Licht durch nur wenige Mikrometer breite Lichtwellenleiter geführt, die sich auf Chips befinden, die selbst nur wenige Millimeter groß sind.
Auf photonischen Mikrochips sind verschiedene Komponenten verbaut, wie beispielsweise Gitterkoppler, die Licht von Fasern zum Chip und vom Chip weg koppeln, oder Ringresonatoren, winzige kreisförmige Strukturen, die Licht vorübergehend speichern und die Lichtintensität im Inneren des Chips stark erhöhen. In der Regel entwerfen Ingenieur:innen jede Komponente von Hand. Sie beginnen mit einer bekannten Geometrie und passen ihre Parameter so lange an, bis die Komponente die gewünschte Aufgabe erfüllt – eine zeitaufwendige Vorgehensweise.
In der neuen Arbeit wählt ein Team von Wissenschaftler:innen unter der Leitung von Pascal Del’Haye, Leiter der Forschungsgruppe Mikrophotonik am MPL, und Prof. Kiyoul Yang von der Harvard University erstmals eine umgekehrte Herangehensweise, um kompakte, leistungsstarke photonische Komponenten für integrierte lichtbasierte Technologien zu entwickeln. Die Forschenden legten mittels Inverse Design fest, was das Licht leisten soll. Der Computer-Algorithmus findet aus einer Vielzahl von Optionen die jeweiligen Nanostrukturen, die dies erfüllt. Die Formen, die der Algorithmus findet, sehen oft wie unregelmäßige Muster aus Löchern und Erhebungen aus. Dennoch leiten sie Licht präzise in einem Chipbereich, der etwa tausendfach kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
Ein „Stecker“ für lichtgesteuerte Chips
Der Bauplan der Natur
Komplexe Optiken auf einem photonischen Chip
Flüstergalerien im Mikroformat
„Mit dem Inverse Design können wir definieren, was das Licht tun soll, und die Optimierung findet eine Struktur, die dies bewerkstelligt – oft eine, die kein Mensch entworfen hätte“, sagte Toby Bi, Co-Erstautor der Studie und Doktorand am MPL. „Das Spannende daran ist, dass dasselbe Framework drei ganz unterschiedliche Aufgaben auf demselben Chip erfüllen kann: Licht nach Wellenlänge leiten, es nach räumlichen Moden sortieren und als kompakter Spiegel fungieren, die optische Resonatoren auf dem Chip bilden.“
Als Materialplattform nutzte das Team erstmals dickes Siliziumnitrid für das Inverse Design, ein Material mit geringen optischen Verlusten. Zudem kann dickes Siliziumnitrid dazu beitragen, reines, laserähnliches Licht in vielen verschiedenen Farben zu erzeugen. In bisherigen Ansätzen war das Inverse Design hauptsächlich auf Silizium und in jüngerer Zeit auch bei Diamanten, Siliziumkarbid und Lithiumniobat angewendet worden. „Dickes Siliziumnitrid bildet die Grundlage für den Großteil der hochleistungsfähigen integrierten Photonik, mit der wir arbeiten, doch bisher beschränkte sich die Komponentenbibliothek auf handgefertigte Designs“, erklärt Del’Haye. „Diese kompakten, computergestützten Komponenten sind ein wichtiger Schritt hin zu dichter integrierten nichtlinearen und quantenphotonischen Schaltungen.“
Die Forschenden entwarfen, fertigten und testeten drei Klassen von optischen Bauelementen: Wellenlängenteiler, räumliche Modensortierer und Spiegel. „Inverse Design wird praktikabel, wenn die Realitäten der Fertigung in die Optimierung einbezogen werden“, sagte Kiyoul Yang, korrespondierender Autor an der Harvard University. „Indem wir minimale Strukturgrößen und Robustheit gegenüber Fertigungsschwankungen in den Algorithmus selbst einbeziehen, erhalten wir Designs, die nicht nur kompakt, sondern auch mit einem handelsüblichen Gießverfahren kompatibel sind.“
Im nächsten Schritt sollen die neu entwickelten Komponenten mit nichtlinearen optischen Schaltungen kombiniert werden. In diesen Bausteinen kann intensives, auf einem Chip zirkulierendes Licht optische Frequenzkämme erzeugen. Das sind präzise Serien aus vielen gleichmäßigen Lichtfarben mit identischem Abstand. Optische Frequenzkämme finden in der Präzisionsmesstechnik, Telekommunikation und Quantentechnologie Anwendung. [MPL / dre]
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Max-Planck-Institut für die Physik des LichtsStaudtstr. 2
91058 Erlangen
Deutschland
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