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Wenn der Ton das Licht bewegt

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Physik

Durch die Kombination der integrierten Fotonik und der MEMS-Technologie haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL und der Universität Purdue die monolithische piezoelektrische Steuerung integrierter Frequenzkämme mithilfe akustischer Volumenwellen bewiesen. Diese Technologie ebnet den Weg für die ultraschnelle, integrierte optoakustische Modulation im Rahmen anspruchsvoller Anwendungen.

Piezoelektrische Materialien können elektrische Spannung in mechanische Bewegung umwandeln und umgekehrt. Sie sind in modernen drahtlosen Kommunikationsnetzwerken und insbesondere in Mobiltelefonen allgegenwärtig. Piezoelektrische Systeme einschliesslich Filter, Transduktoren und Oszillatoren werden heute in Milliarden von Geräten für drahtlose Kommunikation, weltweite Ortungssysteme, Navigation und Weltraumanwendungen eingesetzt.

Im Rahmen einer von Prof. Tobias J. Kippenberg an der EPFL und Prof. Sunil A. Bhave an der Universität Purdue gemeinsam durchgeführten Studie wurde die für die Funkfrequenzfilter moderner Mobiltelefone verwendete piezoelektrische Technologie mit Aluminiumnitrid (AlN) mit einer integrierten Fotonik mit minimalen Verlusten auf der Basis von Siliziumnitrid (Si3N4) kombiniert und ein neues «On-Chip»-Verfahren für die optoakustische Modulation aufgezeigt.

Dieser hybride Schaltkreis ermöglicht die Breitbandschaltung von fotonischen Wellenleitern mit einem extrem schwachen elektrischen Strom, was bisher als kompliziert galt. Der eigentliche Schaltkreis wurde mithilfe von CMOS-kompatiblen Gussverfahren hergestellt, die bei der Produktion von Mikroprozessoren, Mikrokontrollern, Speicherchips und anderen digitalen logischen Schaltkreisen grossflächig eingesetzt werden.

Mikroskopaufnahme der piezoelektrischen Schalter auf den Fotonenschaltkreisen aus Siliziumnitrid (Bildnachweis: Junqiu Liu, Rui Ning Wang)

Ton und Licht

Bei der Herstellung des Schaltkreises verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Si3N4, das sich als Referenzwerkstoff für Mikroresonator-basierte Frequenzkämme in Chip-Grösse («Mikrofrequenzkämme») durchgesetzt hat. Mikrofrequenzkämme werden für eine ganze Reihe hochpräziser Anwendungen genutzt, insbesondere für die kohärente Kommunikation, die Kalibrierung von astronomischen Spektrometern, die ultraschnelle Telemetrie, die geräuscharme Mikrowellensynthese, optische Atomuhren und – in jüngster Zeit – das parallele kohärente Lidar.

Forscherinnen und Forscher haben zusätzlich zu den Si3N4-Fotonenschaltkreisen mit minimalem Verlust piezoelektrische AlN-Schalter gebaut und ein Spannungssignal angelegt. Das Signal löste elektromagnetisch akustische Volumenwellen aus, die den in den Si3N4-Schaltkreisen erzeugten Mikrofrequenzkamm modulieren können. Kurz: Der Ton bewegt das Licht.

Entscheidend bei diesem Verfahren ist der sehr geringe Energieverlust der Si3N4-Schaltkreise. «Dieser Durchbruch stellt einen neuen, entscheidenden Schritt bei der Technologie der Mikrofrequenzkämme dar und kombiniert die integrierte Fotonik, den Bau von mikroelektromechanischen Systemen und die nicht lineare Optik», erklärt Junqiu Liu, der am EPFL-Zentrum für Mikro- und Nanotechnologie (CMi) für die Herstellung der Si3N4-Fotonenchips verantwortlich ist. «Indem wir die piezoelektrischen und optoakustischen Interaktionen beherrschen, können wir die optische «On-Chip»-Modulation mit beispielloser Geschwindigkeit und extrem geringem Stromverbrauch durchführen.»

«Diese neue Technologie könnte den Mikrofrequenz- kammanwendungen in kritischen Systemen Auftrieb verleihen, vor allem im Weltraum, in Rechenzentren und in Atomuhren sowie unter Extrembedingungen wie bei kryogenen Temperaturen.»

Zwei neue Anwendungen

Die Forscherinnen und Forscher haben mit ihrem neuen, hybriden System zwei voneinander unabhängige Anwendungen aufgezeigt. Die erste ist ein auf einem Mikrofrequenzkamm basierendes, massiv paralleles, kohärentes Lidar. Dieser Ansatz könnte den Weg für die Entwicklung von «On-Chip»-Lidarmotoren ebnen, die über elektronische CMOS-Schaltkreise gesteuert werden.

Zweitens haben sie über die räumlich-zeitliche Modulierung eines Si3N4-Mikroprozessors magnetlose optische Isolatoren gebaut. «Die extreme vertikale Eingrenzung der akustischen Volumenwellen verhindert die Diaphonie und ermöglicht die nahe beieinanderliegende Anordnung der Schalter, was mit siliziumhaltigen PIN-Modulatoren schwierig ist», erklärt Hao Tian, der die piezoelektrischen Schalter im Reinraum Scifres am Birck Nanotechnology Center der Universität Purdue gebaut hat.

Diese neue Technologie könnte den Mikrofrequenzkammanwendungen in kritischen Systemen Auftrieb verleihen, vor allem im Weltraum, in Rechenzentren und in Atomuhren sowie unter Extrembedingungen wie bei kryogenen Temperaturen. «Viele Gruppen werden weitere Anwendungen erfinden», sagt Prof. Kippenberg. «Es wurde schon oft bewiesen, dass hybride Systeme Vorteile und Funktionen bieten, die über das hinausgehen, was man mit einzelnen Komponenten erzielen kann.»

«Ich habe kürzlich einen Artikel in der Zeitschrift Scientific American gelesen, der mich wirklich angesprochen hat», sagt Prof. Bhave. «Der Titel lautet « Why Science is Better When it’s Multinational ». Ohne diese interdisziplinäre und interkontinentale Zusammenarbeit hätten wir diese Ergebnisse nicht erzielen können.»

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