Einem Team von KIT-Forschern um Professor Christian Koos ist es gelungen, eine neuartige optische Verbindung zwischen Halbleiterchips zu entwickeln. „Photonic Wire Bonding“ ermöglicht hohe Datenübertragungsraten im Bereich einiger Terabit pro Sekunde und eignet sich hervorragend für die Produktion im Industriemaßstab. In Zukunft könnte die Technologie leistungsfähige Sender-Empfänger-Systeme für die optische Datenübertragung ermöglichen und damit dazu beitragen, den Energieverbrauch des Internets zu senken. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Optics Express“.
Mit photonischen Bauteilen lassen sich Kommunikationsprozesse schneller und zugleich energieeffizienter gestalten. Die Entwicklung leistungsfähiger optischer Sender und Empfänger, die auf Mikrochips integriert sind, hat bereits einen hohen Stand erreicht. Bisher gab es jedoch noch keine zufriedenstellenden Möglichkeiten, die Grenzen von Halbleiterchips optisch zu überbrücken. „Die größte Schwierigkeit besteht darin, die Chips präzise zueinander auszurichten, damit ein Lichtwellenleiter in den anderen trifft“, erklärt Christian Koos, Professor an den KIT-Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) und für Mikrostrukturtechnik (IMT) sowie Mitglied des Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN).
Das Team um Christian Koos geht die Herausforderung von der anderen Seite an: Die Forscher fixieren zunächst die Chips und strukturieren dann einen Lichtwellenleiter auf Polymerbasis in genau passender Form. Um den Verlauf der Verbindung an die Position und die Orientierung der Chips anzupassen, erarbeiteten die Karlsruher Wissenschaftler ein Verfahren zur dreidimensionalen Strukturierung des Lichtwellenleiters. Sie bedienten sich dabei der sogenannten Zwei-Photonen-Polymerisation, die eine hohe Auflösung ermöglicht: Ein Femtosekundenlaser schreibt die Freiform-Wellenleiterstruktur direkt in ein Polymer, das sich auf der Oberfläche der Chips befindet. Dabei nutzen die KIT-Forscher ein Laserlithografiesystem der Firma Nanoscribe, einer Ausgründung des KIT.
Prototypen der „Photonic Wire Bonds“ wiesen im Bereich der infraroten Telekommunikationswellenlängen um 1,55 Mikrometer äußerst geringe Verluste und eine große Übertragungsbandbreite auf. In ersten Experimenten demonstrierten die Forscher bereits Datenübertragungsraten von über fünf Terabit pro Sekunde. Mögliche Anwendungen der „Photonic Wire Bonds“ liegen in komplexen Sender-Empfänger-Systemen zur optischen Telekommunikation, aber auch in der Sensorik und der Messtechnik. Da sich die hochpräzise Ausrichtung der Chips bei der Herstellung erübrigt, eignet sich das Verfahren hervorragend für die automatisierte Produktion in hohen Stückzahlen. Die KIT-Forscher wollen die Technologie nun zusammen mit Partnerfirmen in die industrielle Anwendung bringen.
N. Lindenmann, G. Balthasar, D. Hillerkuss, R. Schmogrow, M. Jordan, J. Leuthold, W. Freude, and C. Koos: Photonic wire bonding: a novel concept for chip-scale interconnects. Optics Express, Vol. 20, No. 16; 30 July 2012.
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.