Häufig in optischen Komponenten. Die Lichtwellenlänge liegt in der Größenordnung von 1 Mikrometer.
Die Lichtwellenlänge liegt in der Größenordnung von 1 Mikrometer. Optische Komponenten, von den Pixeln in Displays und Kamerasensoren bis hin zu Laserdioden und Glasfasern, sind in der Regel größer. Im Vergleich zu Mikroelektronikchips mit Nanotransistoren sind photonische Komponenten daher sehr voluminös.
Der große Durchbruch, ein photonischer integrierter Schaltkreis vergleichbar mit der CMOS-Technologie
Dies ist insbesondere ein Problem für integrierte photonische „optische Schaltkreise IC“ [1], bei denen verschiedene Funktionen (Lichtquellen, wellenlängenselektive Elemente, Sensoren usw.) auf einem Chip integriert sind und bei denen der große „Footprint“, wie er üblicherweise genannt wird, in mehrerer Hinsicht nachteilig ist: Schwierige Herstellung komplexer integrierter Strukturen, höherer Energieverbrauch, schwierigere Herstellung empfindlicher Mehrkanalsensoren, höhere Kosten, größerer Materialverbrauch.
Neue Möglichkeiten
In den letzten Jahren hat sich ein Zweig der Photonik, die Nanophotonik, entwickelt, bei dem photonische Elemente entwickelt wurden, die wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts. Dies hat neue Möglichkeiten und Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie, IKT und Sensorik mit sich gebracht und die Herausforderungen der weiteren Verkleinerung der Abmessungen für eine bessere Leistung mit sich gebracht. Nanophotoniken wurden bisher weitgehend von Edelmetallen dominiert: Gold und Silber.
Für diese Variante der sogenannten plasmonischen Nanophotonik ist im Allgemeinen eine negative Dielektrizitätskonstante (relative Permittivität) bei dieser Wellenlänge erforderlich. Die theoretische Möglichkeit, plasmonische photonische Nanostrukturen zu erzeugen, ist seit langem bekannt, erst durch die Entwicklung der Nanotechnologie gelang der experimentelle Durchbruch.
In Kombination mit Siliziumphotonik [2] hat diese Forschung in den letzten Jahren schnell an Umfang gewonnen und findet Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen, von IKT bis hin zu Biosensoren. Und vielleicht sind im letztgenannten Bereich die interessantesten Fortschritte zu erzielen. Und in beiden Fällen sind integrierte photonische Schaltkreise (F & F) erforderlich, wobei die Entsprechung der Photonik mit integrierten Schaltkreisen der Elektronik (wenn auch mit unterschiedlichen Funktionalitäten) von wesentlicher Bedeutung ist.
Ein Beispiel für einen neuen Typ eines auf Nanophotonik basierenden Biosensors wurde kürzlich im Wissenschaftsmagazin „Photonics“ veröffentlicht, ein so genannter plasmonischer Ringresonator [3], siehe Abbildung, der mit sehr hoher Empfindlichkeit, die durch Lichtkonzentration in den „Nanolücken“ zwischen den Goldstrukturen und dem Siliziumring erreicht wird, beispielsweise Moleküle in vitro in verschiedenen Flüssigkeiten erkennt und identifiziert, die in den „Lücken“ fließen.
Eine weitere Anwendung der Nanophotonik betrifft die Rechenzentren, die wir täglich nutzen: In diesen werden immer größere, exponentiell steigende elektrische Energiemengen verbraucht (z. B. in Facebooks Fabrik in Lulea), von denen ein großer Teil in Wärme umgewandelt wird, die in elektrische Übertragungsleitungen fließen. Optische Verbindungstechnologie, „Optical Interconnect, OI“, in Form von optischen Wellenleitern kann die Probleme mit der Kapazität (Bandbreite) und der Leistung lösen und kann zwischen Leiterplatten, einer Leiterplatte und schließlich einem Chip dieser Leiterplatten verwendet werden.
Hier sind weniger (Nanophotonik) energieeffizientere und billigere photonische Komponenten für Sender, Empfänger und Zwischennetze erforderlich. OI ist eine Voraussetzung für die weitere Entwicklung von Rechenzentren, was größere Mengen und Kostendruck für diese photonischen Komponenten und Systeme bedeutet.
Relevanz der Materialtechnologie
Die weitere Entwicklung der Nanophotonik erfordert jedoch Fortschritte in der Materialtechnologie: Metalle und andere verwendete Materialien haben für viele Anwendungen übermäßige Energieverluste: Je „nano“, desto schneller wird das Licht gedämpft, und dies erschwert viele Anwendungen, insbesondere in der IKT. Mit besseren (verlustärmeren) Materialien können wesentlich kleinere Strukturen hergestellt werden, wie eine kürzlich veröffentlichte Studie eines Ringresonators mit Radien bis zu 50 nm, also viel kleiner als die Wellenlänge, zeigt [4].
Und wir warten immer noch auf den großen Durchbruch, einen photonischen integrierten Schaltkreis, der in „Footprint“ und Stromverbrauch (aber nicht in der Funktionalität) mit der CMOS-Technologie vergleichbar ist, und versuchen ihn zu erreichen.
Eine Möglichkeit, die derzeit am KTH (Department für Theoretische Chemie und Division für Photonik und Mikrowellentechnik) erforscht wird, sind künstliche Atome, sogenannte Quantenpunkte. Hier kommt man dem Erreichen dieses „CMOS-Ziels“ sehr nahe.
