Edmund Optics® nutzt sowohl eigene Cookies als auch Cookies von Drittanbietern, um die technischen Funktionen auf der Website zu optimieren. Hier erfahren Sie mehr darüber, wie wir Cookies verwenden.

  • Mein Konto
  •   
Photonisch-elektronisch integrierte Schaltkreise

Die Zukunft der Hochgeschwindigkeitstechnologie

 

Integrierte Photonik nutzt Licht anstelle von Elektrizität zur Daten- und Signalverarbeitung

 

Photonisch integrierte Schaltkreise sind schneller und effizienter als herkömmliche Schaltkreise

 

Elektronen sind träge und interferieren miteinander. Dadurch ist die Übertragungsgeschwindigkeit herkömmlicher Schaltkreise beschränkt

 

Hybridtechnologien kombinieren photonische und elektrische Schaltkreise

Integrierte Schaltkreise (Integrated Circuits, IC), oder Mikrochips, spielen eine tragende Rolle in zahllosen modernen Technologien, von Medizinprodukten über Smartwatches bis hin zur Raumfahrt. Sie bestehen aus einer Reihe elektronischer Bauteile wie Transistoren, Widerständen und Verstärkern auf einer Halbleiterscheibe. Ein Großteil der Funktionen dieser elektronischen Bauteile kann durch photonische Bauteile ersetzt werden, wie etwa Laserdioden, Wellenleiter, Filter und Verstärkungsmedien. So entstehen photonisch integrierte Schaltkreise (photonic integrated circuits, PICs), die Licht statt Elektronen nutzen (Abbildung 1).

PICs bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Schaltkreisen, einschließlich höherer Übertragungsgeschwindigkeit, größerer Bandbreite und geringerem Energieverlust. Hybridtechnologien, die PICs und ICs vereinen, sowie rein photonische Schaltkreise werden die Technologie und Wissenschaft über das Elektronikzeitalter und heutige technologische Grenzen hinaus vorantreiben und die Grundlagen für die Technologien von morgen in Bereichen wie Telekommunikation, Computing, Wehrtechnik und Verbrauchertechnologien schaffen.

photonic integrated circuits
Figure 1: Photonisch integrierte Schaltkreise nutzen Licht anstelle von Elektritzität.
Vor- und Nachteile: Herkömmliche integrierte Schalkreise im Vergleich zu photonischen integrierten Schaltkreisen
MerkmalHerkömmliche integrierte SchaltkreisePhotonisch integrierte Schalt
Übertragungsgeschwindigkeit Niedrig Hoch
Bandbreite Niedrig Hoch
Energieeffizienz Niedrig Hoch
Größe Klein Groß
Verfügbarkeit Hoch Niedrig
Tabelle 1: Während photonische integrierte Schaltungen zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen ICs bieten, scheiterte eine kommerzielle Nutzung bisher an der begrenzten Verfügbarkeit und den größeren Abmessungen.

Herkömmliche integrierte Schaltkreise basieren auf der Leitung von elektrischem Strom, d. h. dem Fluss freier Elektronen durch den Schaltkreis. Elektronen sind negativ geladene subatomare Teilchen, die mit anderen Elektronen und anderen Teilchen interagieren. Diese Interaktionen verlangsamen Elektronen in ihrem Fluss durch integrierte Schaltkreise, begrenzen die Menge an Information, die übertragen werden können und erzeugen Wärme, die zu Energieverlusten führt. Häufig sind Kühlkörper oder andere Kühltechniken erforderlich, um die Wärmeentwicklung zu regulieren und zu verhindern, dass die elektrischen Bauteile dauerhaft beschädigt werden.

Photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) nutzen Photonen, also masselose Elementarteilchen, die ein Lichtquant darstellen anstelle von Elektronen. Photonen bewegen sich in Lichtgeschwindigkeit und nahezu ohne Interferenz mit anderen Photonen durch das Übertragungsmedium. Damit werden die Bandbreite und die Übertragungsgeschwindigkeit eines Schaltkreises bedeutend erhöht, während sich der Energieverlust verringert. PICs bieten also im Vergleich zu herkömmlichen ICs eine höhere Energieeffizienz. In Kombination mit der Multiplex-Technologie kann eine extrem hohe Anzahl an Signalen durch eine Single-Mode-Faser (SMF) übertragen werden. Diese Anzahl an Signalen ist sehr viel größer als die Anzahl elektrischer Signale, die eine Kupferleitung übertragen kann. Ein Einzelfaserstrang in einem transatlantischen Glasfaser-Seekabel kann Millionen gleichzeitiger Telefonanrufe über fast 100 km übertragen, bis eine Signalverstärkung notwendig wird. Und auch bei den Verstärkern handelt es sich um optisch gepumpte Laser, ganz ohne Mitwirkung von Elektronen.

Einer der größten Nachteile von PICs liegt jedoch in ihrer Größe. ICs weisen derzeit eine Transistordichte von ungefähr hundert Millionen Transistoren pro Millimeter auf. Die heutige geringe Größe von PCs, Mobiltelefonen und anderen tragbaren Geräten ist ICs mit Abmessungen im Nanometerbereich zu verdanken. Obwohl die Abmessungen von PICs kontinuierlich verringert werden, liegt ihre derzeitige Größe noch immer im Mikrometerbereich.

Hybridtechnologie: kombiniert photonische und herkömmliche Schaltkreise

Die PIC-Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Rein photonische Systeme, die fast ausschließlich PICs nutzen und die Komplexität und Infrastrukturebenen heutiger elektronischer Geräte wie Computer bieten, konnten sich bisher noch nicht durchsetzen. Statt einer Anwendung in rein photonischen Systemen gibt es jedoch die Tendenz, herkömmliche Komponenten in größeren elektronischen Systemen zur Effizienzsteigerung durch auf Photonik basierenden Systemen zu ersetzen. Dieser Trend ist vergleichbar mit dem Verlauf der Digitalisierung. Hier wurden in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zunächst veraltete analoge Komponenten wie Telefone mit Wählscheibe oder Thermometer durch digitale Systeme ersetzt, bevor diese auch Anwendung in komplexeren Systemen fanden.

Ein Beispiel bietet die Telekommunikationsbranche, wo Hochgeschwindigkeitsinformationen über faseroptische Lichtwellenleiter übertragen werden (Abbildung 2). Die Informationen müssen letztlich jedoch in digitale Informationen konvertiert werden, um von herkömmlichen elektronischen Geräten verarbeitet zu werden, da gängige Datennetze und Energieinfrastrukturen auf elektrischen und nicht auf photonischen Strukturen basieren. Da optische Systeme energieeffizienter sind als elektrische, ist zu erwarten, dass PICs zukünftig herkömmliche ICs in zahlreichen Anwendungsbereichen weiter verdrängen.


Faseroptische Lichtwellenleiter
Abbildung 2: Elektronische Komponenten die in Telekommunikationstechnologien verwendet werden werden zunehmend durch photonische Komponenten ersetzt, da diese eine höhere Effizienz und Übertragungsgeschwindigkeit bieten.

Durch die Entwicklung von Silizium als geeignetem Halbleitersubstrat für photonische Komponenten wird die Integration von PICs und ICs realisierbarer. PICs werden gewöhnlich auf einer Reihe unterschiedlicher und manchmal mehrschichtiger Substrate wie Indiumphosphid (InP) und Galliumarsenid (GaAs) gefertigt. Da die meisten ICs und Elektroniksysteme auf Silizium-Substraten basieren, wird die Integration von PICs in vorhandene Geräte durch die Verwendung von Silizium als Substrat wesentlich erleichtert. Ein Beispiel ist die Entwicklung von in Silizium-Mikrochips integrierten Nanolaser-Dioden, die eine On-Chip-Kommunikation und -Datenverarbeitung ermöglichen.

 

Die Zukunft: Ablösung herkömmlicher integrierter Schaltkreise

Nach einem Bericht von Yole Développement aus dem Jahr 2014 wird der Markt für Silizium-Photonik von 25 Mio. USD im Jahr 2013 voraussichtlich auf 700 Mio. USD im Jahr 2024 wachsen. Dieser explosionsartige Anstieg hätte zur Folge, dass photonisch integrierte Schaltkreise herkömmliche elektrische Schaltungen in zahlreichen Branchen ablösen, darunter Datenzentren, Hochleistungsrechenzentren, medizinische Sensoren, Telekommunikation und Verbrauchertechnologien.

Mit zunehmendem Volumen an gespeicherten und gemeinsam verwendeten Daten steigen auch die Anforderungen an Kommunikationsnetze und Rechenzentren kontinuierlich. Durch den Einsatz von PICs und optischen Computern können Rechenzentren Datenverkehrsraten im Terabit-Bereich verarbeiten, den derzeitigen Energieverbrauch halbieren, Schaltgeschwindigkeiten erhöhen und Kosten insgesamt senken. Ein Beispiel für aktuelle Fortschritte im Bereich optischer Computer ist ein Forschungsprojekt an der University of Pennsylvania unter Leitung von Ritesh Agarwal. Im Rahmen des Projekts wurden optische Schalter entwickelt, die ähnlich funktionieren wie elektronische Transistoren. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Nanostreifen aus Cadmimumsulfid konnten optische Signale bei minimalen Verlusten gemischt werden. Aufgrund der hohen Übertragungsgeschwindigkeit, Bandbreite und Effizienz könnten PICs in Zukunft eine maßgebliche Rolle in der Hochgeschwindigkeitstechnologie spielen.

 

Häufig gestellte Fragen

FAQ  Warum sind photonische integrierte Schaltkreise energieeffizienter als herkömmliche integrierte Schaltkreise?
Im Gegensatz zu Elektronen tritt bei der Bewegung von Photonen kein Energieverlust und keine Wärmeentwicklung auf. Photonisch integrierte Schaltkreise sind damit sehr viel energieeffizienter als herkömmliche integrierte Schaltkreise.
FAQ  Sind photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) bereits im Handel erhältlich?

Ja, einige photonisch integrierte Schaltkreise sind bereits kommerziell erhältlich, jedoch ist die Verfügbarkeit noch sehr beschränkt und PIC-Lösungen sind noch deutlich teurer als herkömmliche integrierte Schaltkreise (ICs). Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung integrierter photonischer Technologien wird voraussichtlich auch die kommerzielle Verfügbarkeit von PICs zunehmen.

FAQ  Verkauft Edmund Optics® photonisch integrierte Schaltkreise oder Komponenten für PICs?

Nein, derzeit bietet Edmund Optics keine photonisch integrierten Schaltkreise oder PIC-Komponenten an.

FAQ   Bei welchen Geräten werden photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) und herkömmliche integrierte Schaltkreise (ICs) integriert?

Beispiele für Geräte, die PICs und herkömmliche ICs integrieren, sind kleine elektrisch gepumpte Laser, wie Quantumkaskadenlaser, optische Add-Drop-Multiplexer (OADM), komplementäre Matalloxid-Halbleiter (CMOS)-Sensoren und organische Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diodes, OLEDs).

 

 

Nehmen Sie mit uns Kontakt auf!

Welche Einschränkungen existieren bei Ihnen derzeit für Optikanwendungen? Welches Problem müssen Sie als nächstes lösen? Nehmen Sie noch heute mit uns Kontakt auf und suchen Sie gemeinsam mit unserem Ingenieurteam nach Lösungen für Ihre Anwendung.

 

Angebot erwünscht?

Edmund Optics Facebook Edmund Optics Twitter Edmund Optics YouTube Edmund Optics LinkedIn Edmund Optics Google+ Edmund Optics Instagram



×