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Photonische Mikrochips können Daten enorm schnell verarbeiten und sind in einer Vielzahl heutiger Technologien verbaut. Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) und der Harvard University ist es nun gelungen, drei funktionsfähige Komponenten für solche Chips zu entwickeln, die bis zu 500-mal kleiner sind als herkömmliche Designs. Die Forscher*innen nutzten dafür das ›Inverse Design‹, ein computergestützter Algorithmus. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.
Photonische Mikrochips zählen zu den Schlüsseltechnologien der modernen Datenverarbeitung. Ihre Miniaturisierung bei gleichzeitig extrem schneller Verarbeitung von Daten im Vergleich zu elektronischen Komponenten macht sie zu wichtigen Bestandteilen beispielweise der in Telekommunikation, Präzisionsmesstechnik und Quantentechnologien. Dabei wird Licht durch nur wenige Mikrometer breite Lichtwellenleiter geführt, die sich auf Chips befinden, die selbst nur wenige Millimeter groß sind.
Auf photonischen Mikrochips sind verschiedene Komponenten verbaut, wie beispielsweise Gitterkoppler, die Licht von Fasern zum Chip und vom Chip weg koppeln, oder Ringresonatoren, winzige kreisförmige Strukturen, die Licht vorübergehend speichern und die Lichtintensität im Inneren des Chips stark erhöhen. In der Regel entwerfen Ingenieur*innen jede Komponente von Hand. Sie beginnen mit einer bekannten Geometrie und passen ihre Parameter so lange an, bis die Komponente die gewünschte Aufgabe erfüllt – eine zeitaufwendige Vorgehensweise.
In der jüngst in Nature Communications veröffentlichten Arbeit wählt ein Team von Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Dr. Pascal Del’Haye, Leiter der Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹ am MPL, und Prof. Kiyoul Yang von der Harvard University erstmals eine umgekehrte Herangehensweise, um kompakte, leistungsstarke photonische Komponenten für integrierte lichtbasierte Technologien zu entwickeln. Die Forscher*innen legten mittels ›Inverse Design‹ fest, was das Licht leisten soll. Der Computer-Algorithmus findet aus einer Vielzahl von Optionen die jeweiligen Nanostrukturen, die dies erfüllt. Die Formen, die der Algorithmus findet, sehen oft wie unregelmäßige Muster aus Löchern und Erhebungen aus. Dennoch leiten sie Licht präzise in einem Chipbereich, der etwa tausendfach kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares.
„Mit dem Inverse Design können wir definieren, was das Licht tun soll, und die Optimierung findet eine Struktur, die dies bewerkstelligt – oft eine, die kein Mensch entworfen hätte“, sagte Toby Bi, Co-Erstautor der Studie und Doktorand am MPL. „Das Spannende daran ist, dass dasselbe Framework drei ganz unterschiedliche Aufgaben auf demselben Chip erfüllen kann: Licht nach Wellenlänge leiten, es nach räumlichen Moden sortieren und als kompakter Spiegel fungieren, die optische Resonatoren auf dem Chip bilden.“
Als Materialplattform nutzte das Team erstmals dickes Siliziumnitrid für das Inverse Design, ein Material mit geringen optischen Verlusten. Zudem kann dickes Siliziumnitrid dazu beitragen, reines, laserähnliches Licht in vielen verschiedenen Farben zu erzeugen. In bisherigen Ansätzen war das Inverse Design hauptsächlich auf Silizium und in jüngerer Zeit auch bei Diamanten, Siliziumkarbid und Lithiumniobat angewendet worden. „Dickes Siliziumnitrid bildet die Grundlage für den Großteil der hochleistungsfähigen integrierten Photonik, mit der wir arbeiten, doch bisher beschränkte sich die Komponentenbibliothek auf handgefertigte Designs“, erklärt Pascal Del’Haye. „Diese kompakten, computergestützten Komponenten sind ein wichtiger Schritt hin zu dichter integrierten nichtlinearen und quantenphotonischen Schaltungen.“
Die Wissenschaftler*innen entwarfen, fertigten und testeten drei Klassen von optischen Bauelementen: Wellenlängenteiler, räumliche Modensortierer und Spiegel.
Wellenlängenteiler trennen die Lichtfarben. Die kleinste Version passt in ein Quadrat von fünf mal fünf Mikrometern und nimmt fünfzig- bis dreihundertmal weniger Fläche ein als herkömmliche Entwürfe für optische Richtkoppler, die dieselbe Aufgabe erfüllen.
Modensortierer trennen Licht in räumliche Kanäle mit einer Grundfläche, die etwa fünfhundertmal kleiner ist als bei herkömmlichen Designs.
Invers entworfene Spiegel reflektieren mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern beispielweise bis zu 98,5 Prozent des einfallenden Lichts und blockieren gleichzeitig andere räumliche Moden. Paarweise angeordnet bilden sie optische Resonatoren auf dem Chip, in denen das Licht mehr als hundertmal zwischen den Spiegeln hin- und her reflektiert, bevor es austritt.
„Inverse Design wird praktikabel, wenn die Realitäten der Fertigung in die Optimierung einbezogen werden“, sagte Kiyoul Yang, korrespondierender Autor an der Harvard University. „Indem wir minimale Strukturgrößen und Robustheit gegenüber Fertigungsschwankungen in den Algorithmus selbst einbeziehen, erhalten wir Designs, die nicht nur kompakt, sondern auch mit einem handelsüblichen Gießverfahren kompatibel sind.“
Im nächsten Schritt sollen die neu entwickelten Komponenten mit nichtlinearen optischen Schaltungen kombiniert werden. In diesen Bausteinen kann intensives, auf einem Chip zirkulierendes Licht optische Frequenzkämme erzeugen. Das sind präzise Serien aus vielen gleichmäßigen Lichtfarben mit identischem Abstand. Optische Frequenzkämme finden in der Präzisionsmesstechnik, Telekommunikation und Quantentechnologie Anwendung.
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Bildunterschrift in voller Länge: Ein photonischer Mikrochip, neben einer 10-Cent-Münze zum Größenvergleich, enthält hunderte Komponenten, die von Forschenden des Max-Planck-Instituts für die Wissenschaft des Lichts und der Harvard University entwickelt und mit Inverse Design entworfen wurden. Die Nahaufnahmen zeigen einzelne computergestaltete Nanostrukturen, Wellenlängensplitter, Modensortierer und Spiegel, die bis zu einem Tausendstel der Größe herkömmlicher Designs aufweisen. Eine Illustration (links) zeigt, wie viele solcher Bauteile kombiniert und dicht gepackt in integrierte photonische Schaltkreise auf einem nur wenige Millimeter breiten Chip untergebracht werden können.
Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Pascal Del’Haye
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Leiter der Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹
www.mpl.mpg.de /pascal.delhaye@mpl.mpg.de
Prof. Kiyoul Yang
Assistant Professor, Harvard University
https://seas.harvard.edu / kiyoul@seas.harvard.edu
Originalpublikation in Nature Communications:
Toby Bi, Shuangyou Zhang, Egemen Bostan, Danxian Liu, Aditya Paul, Olga Ohletz, Irina Harder, Yaojing Zhang, Alekhya Ghosh, Abdullah Alabbadi, Masoud Kheyri, Tianyi Zeng, Jesse Lu, Kiyoul Yang & Pascal Del'Haye “Inverse-designed silicon nitride nanophotonics.” Nature Communications 17, 6943 (2026) DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73390-9
Ein photonischer Mikrochip, neben einer 10-Cent-Münze zum Größenvergleich. Vollständige Bilduntersch ...
Copyright: © MPL, Toby Bi
Dr. Pascal Del'Haye und Toby Bi, Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹.
Copyright: © MPL, Susanne Viezens.
Fortschritt der Optimierung photonischer Designs. Die Bauelementstruktur (in Draufsicht) entwickelt sich über aufeinanderfolgende Iterationen des computergestützten Optimierungsprozesses hinweg
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Ein photonischer Mikrochip, neben einer 10-Cent-Münze zum Größenvergleich. Vollständige Bilduntersch ...
Copyright: © MPL, Toby Bi
Dr. Pascal Del'Haye und Toby Bi, Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹.
Copyright: © MPL, Susanne Viezens.
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