PEARLS
Photonic Embedding of Active Region Laser Chips on Silicon
Integrierte Mikrophotonik für das 5G Netz
Die Einrichtung des 5G-Netzes erfordert umfangreiche Investitionen in die gesamte Daten-Infrastruktur. Um Daten mit den geforderten hohen Raten von bis zu 20 GBit/s mobil übertragen zu können, müssen solche enormen Datenmengen zuerst von den Datenservern bis zu den Sendemasten übertragen werden. Diese Anbindung der Masten an die weltweiten Datenserver und sonstigen Datenquellen machen über 99% der zur überwindenden Distanz zum Endnutzer aus. Das 5G-Netz stellt deshalb erhebliche Anforderungen an die optische Übertragungstechnik. Mit vorhandenen Technologien ist der enorme Datenverkehr eines 5G-Netzes nicht zu bewältigen. Um das 5G-Netz zu ermöglichen, müssen daher neue, mikrointegrierte optische Technologien entwickelt werden. Die Notwendigkeit für Innovationen besteht auf der gesamten Übertragungsstrecke, beginnend an den Servern innerhalb der weltweit verteilten großen Datencenter bis zur Anbindung der mobilen Sendeanlage vor Ort. Der Verbund PEARLS erforscht deshalb neue, integrierte photonische Schaltkreise für die Verwendung in und außerhalb von Datencentern, mit denen die hohen Anforderungen an die Infrastruktur des 5G-Netzes erfüllt werden können.
Integration aktiver optischer Elemente auf Silizium-Chips
Ein jahrzehntealtes Problem integrierter optischer Schaltkreise besteht darin, dass die als Lichtquellen verwendeten Laser einen eigenen Chip benötigen. Die Halbleitermaterialien, aus denen die Lichtquellen bestehen, sind sogenannte Verbindungshalbleiter, wie zum Beispiel Galliumarsenid oder das hier verwendete Indiumphosphid. Elektronische Chips basieren hingegen auf Silizium, das sich vergleichsweise schlecht als Lichtquelle eignet. Mit dem Ziel dieses Problem zu lösen, verfolgen viele Gruppen weltweit unterschiedliche Ansätze der sogenannten hybriden Integration von Verbindungshalbleitern in Silizium-Chips.
Das Ziel von PEARLS ist es nun, erstmals eine Systemlösung auf Basis der Siliziumphotonik zu schaffen. Diese soll Quantenpunkt-basierte Indiumphosphid-Halbleiterlaserquellen und siliziumphotonische elektrooptische integrierte Schaltungen (ePIC) miteinander vereinen und so eine Plattform für hochbitratige, chipintegrierte optische Übertragungstechnik verwirklichen. Der Anwendungsbereich dieser integrierten Schaltungen liegt im Bereich der Inter- und Intra-Datencenter-Verbindungen, bei denen hohe elektrooptische Bandbreiten, geringer Platzbedarf und geringe Leistungsaufnahme neben Kosteneffizienz von höchster Priorität sind. Die Leistungsfähigkeit dieser Plattform soll im Projekt exemplarisch anhand zweier Module demonstriert werden. Die Module sollen durch den Entfall externer Laser ein Minimum an Aufbau- und Verbindungstechnik erfordern und zudem extrem platzsparend sein.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt im Aufbau einer Wertschöpfungskette in Deutschland, die vom ePIC- und Laser-Design über die Prozessierung und Chipherstellung bis hin zur Aufbautechnik eine durchgängige Fertigung in Deutschland ermöglicht.
