Licht statt Metall

Was ist Silicon Photonics?

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Silicon Photonics könnte die Zukunft der IT maßgeblich mitbestimmen
Silicon Photonics könnte die Zukunft der IT maßgeblich mitbestimmen (Bild: © djama – stock.adobe.com)

Hinsichtlich ihrer Bandbreiten und des Energieverbrauchs stößt die herkömmliche Digitaltechnik an physikalische Grenzen. Helfen könnte die Integration der optischen Datenleitung direkt in Halbleiterbauelemente.

Was Silicon Photonics bedeutet, beschreibt unter anderem die führende naturwissenschaftliche Fachzeitschrift „Nature“ in einem Online-Newsblog zum Thema, nämlich die Erforschung der optischen Fähigkeiten der Gruppe-4-Halbleiter (also derer mit vier Elektronen auf der äußersten Schale ihrer Atome, etwa Silizium) sowie der Entwicklung und Herstellung von Geräten und Bauelementen, um damit Licht zu generieren, zu manipulieren und zu detektieren.

In der informationstechnischen Praxis wird Silicon Photonics oft auch kurz als SiPho bezeichnet. Der Begriff beschreibt die Anstrengungen, optische Funktionen so tief wie möglich in Computerchips und –platinen zu integrieren. Am Ende könnte der Informationstransfer innerhalb von Systemen, auf Platinen und sogar innerhalb der einzelnen Chips mittels Licht und damit schneller und energieverbrauchsärmer durchgeführt werden. Auch das Rechnen selbst könnte mittels Licht passieren.

Silizium braucht spezielle Bearbeitung

Dabei wirkt hinderlich, dass Silizium an sich nicht von selbst Licht generiert. Um dieses Problem zu überbrücken, verwendet man verschiedene ´Tricks`, vor allem Beschichtungen. Für eine volle Integration von Optik und Elektronik wird Silizium mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit zu mikrophotonischen Komponenten geformt, die bei rund 1,55 Mikrometer Wellenlänge arbeiten (Infrarot).

Die Chips bestehen meist aus Silizium plus weiteren Schichten auf einer Isolatorschicht (Silicon on Insulator, SOI) strukturiert. Als photonische Schichten dienen Materialien wie Indiumphosphat oder Siliziumnitrid. Auch Beschichtungen aus Bariumtitanid (BaTiO3) verbessern die optischen Eigenschaften.

Optischer Ringresonator der HPE Labs
Optischer Ringresonator der HPE Labs (Bild: HPE)

Die Produktionstechnologien ähneln denen von CMOS-Chips, weshalb keine tiefgreifenden Veränderungen der Prozesse und Fertigungsanlagen notwendig sind. Die optischen Komponenten lassen sich neben oder über den digitalen auf demselben Substrat aufbauen. Letzteres führt zu innovativen dreidimensionalen Chipstrukturen, die Platz sparen.

Alle Großen forschen an SiPho

Zu Silicon Photonics forschen nahezu alle bedeutenden Hersteller von Informationstechnik und Chips, beispielsweise IBM, Intel oder die HPE Labs. HPE hat angekündigt, neue Rechnerarchitekturen, die aus dem The-Machine-Project hervorgehen, teils mit SiPho-Technologien und optischer Datenübertragung auszurüsten. Das Bild zeigt einen optischen Ring-Resonator aus den HPE Labs.

Intel hat beispielsweise einen 100G-Datentransceiver für CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) für den optischen Interconnect im Rechenzentrum auf den Markt gebracht.

Ein optischer Transceiver in SiPho-Technologie von Intel
Ein optischer Transceiver in SiPho-Technologie von Intel (Bild: Intel)

Der asiatische Hersteller Quanta entwickelte den Prototypen des photonischen Servers RSA (Rack-Scale-Architecture) und selbstredend ist Photonik ein Thema im Open Compute Project.

Auf zu Terabit-Speeds

SiPho könnte eines der Mittel sein, um die sich inzwischen deutlich abzeichnenden Energieprobleme der IT zu verringern. Die Technologie könnte auch den Platz- und Materialbedarf, insbesondere an wertvollen Metallen, erheblich senken.

Zudem bildet die engere Verzahnung von optischen und klassischen Halbleitertechnologien der Silizium-basierten IT eine Brücke ins Terahertz- und Terabit-Zeitalter. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Langstrecken-Kommunikation, der Bau optischer Router und Signalprozessoren oder neuartige Displays.

Auch wenn es erste Produkte gibt, ist der Weg noch weit, bis sich Silicon Photonics breiter durchsetzen dürfte. Eines der größten Hindernisse ist es, Laborprodukte und –technologien in bezahlbare Produktionsstückzahlen zu skalieren.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46280181 / Definitionen)