Ein Baukasten für die Datenkommunikation per Licht

News: Ein Baukasten für die Datenkommunikation per Licht

PHASIC (Photonic application specified integrated circuits) steht für eine neue Generation von Schaltungen, bei der gleichzeitig Bauteile für die Lichterzeugung (Laser), Lichtverarbeitung (Schalter), Lichtführung (Wellenleiter), Lichtnachweis (Photodioden) und schnelle Elektronik (Transistoren, Kondensatoren, Widerstände) auf einem Wafer hergestellt werden. Wie mit Blöcken aus einem Baukasten läßt sich, durch den am Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik, entwickelten Integrationsprozeß, eine Schaltung zusammensetzen. Durch die Verwendung von gleichartigen Grundstrukturen entsteht so in kurzer Zeit kostengünstig eine neuartige Komponente.

Als Beispiele wurden im Rahmen des "Forschungsmarkt Berlin" auf der diesjährigen Hannover Messe Chips mit den unterschiedlichsten Eigenschaften vorgestellt. Dazu zählt ein Sender, der mit vier unterschiedlichen Lichtwellenlängen Daten über die Glasfaser überträgt – "vierspurig über die Datenautobahn". Als zweites Beispiel: ein Transceiver. Dies ist eine Kombination aus Empfänger und Sender, die mit einer Lichtwellenlänge Daten empfängt und mit einer anderen Wellenlänge Daten sendet – "Datenautobahn mit Gegenverkehr". Im dritten Beispiel wird in einem Experiment die Funktionsweise eines Chips dargestellt, der auf optischem Wege Mikrowellen erzeugt – eine Komponente für die mobile Breitbandkommunikation.

Das Grundmaterial für diese Schaltungen ist nicht das sonst in der Mikroelektronik übliche Silizium, da es nicht für die Erzeugung von Laserlicht geeignet ist, sondern Indiumphosphid. InP ist ein Halbleiter der ideal zu Glasfaserübertragungssystemen paßt, da er Licht mit den Wellenlängen von 1,3 Mikrometern und 1,55 Mikrometern erzeugen und verarbeiten kann (1 Mikrometer gleich 1 millionstel Meter). Die einzelnen Komponenten auf den Chips werden mit Verfahren hergestellt, die der in der Mikroelektronik sonst angewandten Siliziumtechnologie ähnlich sind. Am Heinrich-Hertz-Institut ist die komplette Technik vorhanden, um integrierte Schaltungen aus InP zu bauen.

Der Vierfach-Sender ist eine Komponente, die aus vier einzelnen Lasern und einem Wellenleiternetzwerk besteht. Dieses faßt das von den Lasern erzeugte Licht auf dem Wafer zusammen und gibt es auf einen Ausgang zur Glasfaser, so ist nur eine Verbindung Chip-Glasfaser nötig. Der Vorteil einer integrierten Schaltung besteht darin, daß die Laser mit einem "eingebauten" festen Frequenzabstand arbeiten. Die sonst erforderliche aufwendige Regelung wird vereinfacht. Daß die Laser die Daten immer bei der gleichen Frequenz senden, ist für Übertragungssysteme von großer Bedeutung – Rundfunksender müssen ja auch ihre Frequenz genau einhalten, damit der Hörer sie wiederfindet.

Der Transceiver enthält einen Laser als Sender und eine Photodiode als Empfänger für die Daten. Durch eine Wellenleiterstruktur wird das Licht auf dem Chip geführt. Diese Struktur sorgt dafür, daß Licht mit einer Wellenlänge 1,3 Mikrometern von der Glasfaser zur Photodiode gelangt. Das vom Laser erzeugte Licht mit der Wellenlänge von 1,55 Mikrometern wird zur Glasfaser geleitet.

Die optische Mikrowellenerzeugung erfolgt nach einem Prinzip, das man aus der Akustik kennt. Erzeugen zwei Lautsprecher Töne, die in ihrer Frequenz einen geringen Abstand haben, so hört das Ohr ein An- und Abschwellen – eine Schwebung. Auf dem Chip befinden sich zwei Laser, deren Frequenzabstand einstellbar ist. Auch hier entsteht eine Schwebung, deren Frequenz im Mikrowellenbereich liegt. Durch die Möglichkeit, die Differenz der beiden Laser zu verändern, können Mikrowellen in einem weiten Frequenzbereich extrem genau erzeugt werden.

Eine wichtige Basis für die Herstellung dieser unterschiedlichen Chips ist das Verfahren, die für die Grundstrukturen unterschiedlichen Schichtenfolgen auf einem Wafer zu erzeugen. Die für diesen Prozeß wichtige Technik ist die Epitaxie, die auf den Wafern kristalline Halbleiterschichten abscheidet. Die verschiedenen Epitaxieverfahren sind am HHI soweit entwickelt, daß die Schichtenpakete, die für die einzelnen Grundstrukturen nötig sind, voneinander unabhängig, mit optimalen Eigenschaften erzeugt werden. Im einzelnen kommen zum Einsatz: Die Gasphasenepitaxie (metal organic vapour phase epitaxy, MOVPE), bei dem über den auf 600 Grad Celsius aufgeheizten InP-Wafer Gase geleitet werden, die sich dabei zersetzen und die notwendige Folge von Halbleiter-Schichten erzeugen. Ein weiterer Prozeßschritt entfernt dieses Schichtenpaket in den Bereichen, in denen weitere Strukturen entstehen sollen.

Die dafür notwendigen Schichtenfolgen wächst die Molecular Beam Epitaxy (MBE) auf. Dabei erfolgt unter Weltraumbedingungen (Ultrahochvakuum) ein Aufdampfen der einzelnen Materialien Indium, Arsen, Gallium und Aluminium, die sich bei der Wachstumstemperatur von ca. 520 Grad Celsius zu der notwendigen Kristallstruktur verbinden. Die MBE kann extrem dünne Schichten mit hoher Qualität wachsen lassen; die dünnste Schicht ist 2 Nanometer dick, dies sind 4 Atomlagen übereinander (1 Nanometer entspricht 1 milliardstel Meter).

Die Strukturierung der Schichten erfolgt durch die auch sonst in der Mikroelektronik übliche Technik. Durch Aufbringen eines lichtempfindlichen Photolackes und anschließendem Belichten mit verschiedenen Masken werden im Lack Öffnungen erzeugt, die dann als Maskierung für Ätz- oder Aufdampfprozesse dienen.