Wissenschaftler des California Institute of Technology (Caltech) haben ein Verfahren entwickelt, um optische Pfade mit extrem geringen Verlusten direkt auf Silizium-Wafern zu erzeugen. Die neue Technologie ermöglicht es, Licht mit Verlusten zu leiten, die sich den Werten von Glasfasern annähern, insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die Forscher verwendeten Germanosilikatglas – dasselbe Material wie in Glasfaserkabeln. Die Wellenleiter werden in Form von Spiralen geformt, damit das Licht auf einer kompakten Chipfläche von nur wenigen Zentimetern einen langen Weg zurücklegen kann. Dies ähnelt dem Aufwickeln von Fasern auf eine Spule, jedoch im Nanomaßstab.
Im sichtbaren Spektrum übertrifft die neue Plattform Siliziumnitrid – das Standardmaterial für photonische integrierte Schaltkreise – um das 20-fache. Die Verluste sind so weit reduziert, dass Laser auf Basis dieser Wellenleiter eine mehr als hundertfache Verbesserung der Lichtkohärenz aufweisen.
Projektleiter Kerry Vahala merkt an, dass die Methode die Vorteile der Glasfaserherstellung auf standardmäßige 8- und 12-Zoll-Silizium-Wafer überträgt. Die Koautoren der Arbeit – der Postdoktorand Hao-Jing Chen und der Doktorand Kellan Colburn – betonen, dass die Oberflächenglätte durch ein „Umschmelzen“ im Ofen bis auf atomare Ebene erreicht wird.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Geräte wurden bereits in Ringresonatoren, verschiedenen Lasertypen und nichtlinearen Resonatoren getestet. Zu den potenziellen Anwendungen gehören chipbasierte Atomuhren, Gyroskope, Quantensysteme und energieeffiziente Kommunikation in KI-Rechenzentren.
Wie wird sich dies in den kommenden Jahren auf die Entwicklung von Miniatursensoren und Quantentechnologien auswirken? Eines ist bereits klar: Die geringen Verluste ebnen den Weg für kohärentere und wirtschaftlichere photonische Schaltkreise, die auf Silizium bisher als unerreichbar galten.
Die Arbeit wurde von der DARPA, der US Air Force und anderen Organisationen finanziert. Die Wissenschaftler betonen, dass dies nur ein Zwischenschritt ist – bedeutende Fortschritte stehen noch bevor.
