Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung

Die Grenzen von Halbleiterchips optisch überbrücken

| Redakteur: Hendrik Härter

Photonic Wire Bonding: Zwei Halbleiterchips werden mit einem Lichtwellenleiter auf Polymerbasis verbunden
Photonic Wire Bonding: Zwei Halbleiterchips werden mit einem Lichtwellenleiter auf Polymerbasis verbunden (Foto: N. Lindenmann und G. Balthasar)

Dank eines hochpräzisen Verfahrens lassen sich zwei Chips mit einem Lichtwellenleiter verbinden. Im Ergebnis lassen sich über den Photonischen-Wire-Bond Daten bis 5 Terabit/s übertragen.

Datenübertragungen im Bereich von einigen Terabit pro Sekunde: Forscher des KIT um Professor Christian Koos ist es gelungen, eine neuartige optische Verbindung zwischen Halbleiterchips zu entwickeln. "Photonic Wire Bonding". Damit sollen sich in Zukunft leistungsfähige Sender-Empfänger-Systeme entwickeln lassen.

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.

Chips präzise zueinander ausrichten

Das größte Problem bestand bisher, "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 das Problem 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.

Bis zu 5 Terabit pro Sekunde

Prototypen der Photonic Wire Bonds wiesen im Bereich der infraroten Telekommunikationswellenlängen um 1,55 µm 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 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 für die automatisierte Produktion in hohen Stückzahlen. Die KIT-Forscher wollen die Technologie nun zusammen mit Partnerfirmen in die industrielle Anwendung bringen.

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