(openPR) Photonische integrierte Schaltkreise (PIC) unterscheiden sich von elektrischen ICs: Sie haben Wellenleiter anstelle von elektrischen Leiterbahnen und die Lichtsignale werden in kleinen Interferometern anstelle von Transistoren oder Gattern verarbeitet. Sowohl Wellenleiter als auch Interferometer lassen sich in Lithiumniobat hervorragend herstellen. Die Forschenden am Fraunhofer IOF können diese Strukturen in Dünnschicht-Lithiumniobat realisieren, das auf einem isolierenden Material aufgewachsen wurde (LNOI). Das Verfahren nutzt Technik aus der Halbleiterfertigung und ist dadurch sofort skalierbar.
»Mit der LNOI-Technologie können wir photonische Komponenten mit sehr hoher Bandbreite, geringer Verlustleistung und kompakter Bauweise herstellen«, kommentiert Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Abteilung für Mikro- und nanostrukturierte Optik am Fraunhofer IOF. »Das sind Eigenschaften, die für künftige Anwendungen in der Kommunikation und Datenverarbeitung entscheidend sind«, ergänzt Dr. Frank Setzpfandt. Setzpfandt ist Forscher an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Gemeinsam mit weiteren Partnern sind die Teams rund um ihn und Eilenberger im Forschungsprojekt PhoQuant aktiv, ein vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR, ehemals BMBF) gefördertes Projekt, in dessen Rahmen die Technologie unter anderem entwickelt wurde und dort auch zur Anwendung kommen soll.
PhoQuant hat das Ziel, einen Quantencomputer zu entwickeln, der optische Technologien nutzt. So ein photonischer Quantencomputer braucht keine aufwendige Kühlung, wie sie für andere Quantencomputer benötigt wird. Er nutzt Quantenlichtquellen, die spezielle Lichtzustände erzeugen, und verarbeitet sie in integrierten LNOI-Strukturen. Die optischen Signale, die dabei entstehen, lassen sich als Ergebnis messen oder sie können im Quanteninternet mit anderen Qubits interagieren.
Die LNOI-Technologie funktioniert aber auch für normale Lasersignale. Die Lasertechnik hat in den letzten Jahrzehnten die Datenübertragung revolutioniert und maßgeblich dazu beigetragen, dass heute Übertragungsraten im Bereich von Gbit- und Tbit/s möglich sind.
Einige Eigenschaften des Lichts helfen jetzt, auch die Datenverarbeitung auf Prozessorebene erheblich schneller zu machen. Wichtig ist dabei, dass Lichtsignale eine vielfach höhere Bandbreite ermöglichen. Da sich Lichtsignale verschiedener Wellenlängen einfach überlagern lassen, können optische Prozessoren sogar mehrere Signale in der gleichen »Leitung«, also aus demselben Wellenleiter, simultan verarbeiten.
Die im Projekt PhoQuant am Fraunhofer IOF entwickelte LNOI-Technologie hat dabei den Vorteil, dass sie Verarbeitungsgeschwindigkeiten im 100 GHz-Bereich erlaubt. Die Steuerspannung für die Modulatoren ist im Bereich weniger Volt – eine Besonderheit der Jenaer Technologie. »Das bietet deutliche Vorteile bei der Anwendung von optischen integrierten Schaltkreisen«, erklärt Dr. Eilenberger. Die Jenaer entwickeln neben den Modulatoren eine ganze Palette integrierter optischer Komponenten auf LNOI-Basis.
Die optischen Schaltkreise eignen sich für verschiedene spezielle Aufgaben – dazu gehören auch typische Aufgaben künstlicher Intelligenz. »Perspektivisch werden optische Computer solche Aufgaben schneller und erheblich energieeffizienter ausführen als konventionelle Schaltkreise«, beschreibt Dr. Eilenberger die Zukunft der LNOI-Technologie.
Interessierte Besucherinnen und Besucher der World of Quantum können die LNOI-Technologie des Fraunhofer IOF, einschließlich verschiedener integrierter optischer Komponenten, am PhoQuant-Stand A1.439 erleben. Ein weiteres Exponat wird auf der Laser World of Photonics am zentralen Infostand des Fraunhofer IOF A2.415 zu sehen sein.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am Fraunhofer IOF erarbeiten rund 400 Mitarbeitende das jährliche Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.
wissenschaftliche Ansprechpartner: Dr. Falk Eilenberger Fraunhofer IOF Abteilungsleiter Mikro- und nanostrukturierte Optik
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