Die globale Digitalisierung hat in den letzten Jahren eine beispiellose Beschleunigung erfahren. Video-Streaming und Videokonferenzen im Home Office und in Remote-Lernumgebungen haben zu einem Anstieg der Breitbandnutzung in Privathaushalten geführt. Neue Anwendungen wie künstliche Intelligenz und autonome Fahrzeuge werden den Bedarf an Datenkommunikation in Zukunft weiter beschleunigen. Die heutige Internetinfrastruktur basiert auf faseroptischer Kommunikation, aber wie können die faseroptischen Kommunikationssysteme effizienter gemacht werden, um zukünftige digitale Kommunikationsanforderungen zu erfüllen?
Um mit den steigenden Datenraten fertig zu werden, verwenden faseroptische Kommunikationssysteme viele einzelne Kommunikationskanäle mit dedizierten Wellenlängen, eine Technik, die als Wellenlängenmultiplexing bekannt ist. Die Kanäle werden vor der Übertragung über eine Glasfaser in einem Multiplexer kombiniert. Zum Abrufen der Daten wird das optische Spektrum auf der Empfängerseite demultiplext. Üblicherweise wird diese Operation unter Verwendung von photonischen integrierten Schaltungen (PICs) durchgeführt. PICs begrenzen und leiten Licht in Mikrokomponenten, die Informationen in mehreren Wellenlängenkanälen manipulieren, wie z. B. angeordnete Wellenleitergitter oder integrierte Ringresonatoren.
In einem in der Zeitschrift für optische Mikrosysteme, Hamed Sattari und Co-Autoren haben nun eine energieeffiziente Komponente für die Demultiplexoperation demonstriert, indem sie einen aufgehängten Silizium-Ringresonator in einer photonischen integrierten Schaltung physikalisch bewegt haben. Die mechanische Verschiebung des Ringresonators ermöglicht die Extraktion eines Wellenlängenkanals in einen Buswellenleiter, der effektiv als mikromechanisch betriebenes Add-Drop-Filter wirkt. Der elektrostatische Betätigungsmechanismus baut auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) auf, einer Technologie, die in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet ist, wie z. B. Mikrospiegel für Videoprojektoren.
Im Vergleich zu diesen etablierten optischen MEMS ist das in der Veröffentlichung vorgestellte neuartige Silizium-Photonik-MEMS etwa 3 Größenordnungen kleiner. Der Wellenleiterquerschnitt des Ringresonators beträgt weniger als 650 nm x 220 nm, und eine Verschiebung von weniger als 500 nm reicht aus, um das Filter zu betreiben. Diese kompakte Grundfläche ermöglicht im Vergleich zu etablierten MEMS-Produkten einen schnellen Betrieb, und der elektrostatische Betätigungsmechanismus gewährleistet einen extrem niedrigen Stromverbrauch, wodurch dieser neue Filter sehr energieeffizient ist.
Der Silizium-Photonik-MEMS-Add-Drop-Filter wurde durch Nachbearbeitung auf einer standardmäßigen Silizium-Photonik-Plattform von IMEC, einer internationalen Forschungs- und Entwicklungsorganisation mit Hauptsitz in Belgien, implementiert. „Die Integration von MEMS in Siliziumphotonik, die in einem standardisierten Foundry-Prozess hergestellt wurde, stellt einen technologischen Meilenstein dar. Wir zeigen, dass photonische MEMS neben etablierten photonischen Hochleistungskomponenten auf dem Chip integriert und auf große Volumina skaliert werden können“, sagte er Niels Quack, der die Entwicklungsaktivitäten für photonische MEMS an der EPFL, Schweiz (jetzt an der Universität von Sydney) leitete.
„Unser Beitrag zeigt, dass photonische Silizium-MEMS einen wichtigen Schritt in Richtung Technologiereife gemacht haben“, sagte Sattari. „Großformatige photonische integrierte Schaltungen, die aus Tausenden von Komponenten wie dem Add-Drop-Filter bestehen, können jetzt gebaut werden und bieten eine fehlende Plattform, die Rechenzentrums- und Glasfaser-Kommunikationsanwendungen energieeffizienter machen kann.“
Mehr Informationen:
Hamed Sattari et al, Silizium photonische mikroelektromechanische Systeme Add-Drop-Ringresonator in einem Gießereiprozess, Zeitschrift für optische Mikrosysteme (2022). DOI: 10.1117/1.JOM.2.4.044001