Rückschlag für US-Sanktionen: Chinesische Wissenschaftler entwickeln optischen "McChip"

Pinzette, fügt einen Chip mit den Farben der chinesischen Fahne auf eine Platine ein.

Kann China nun günstige optische Chips in Masse anfertigen? Bild: William Potter, Shutterstock.com

Billigmethode zur Massenproduktion optischer Chips. US-Sanktionen könnten umgangen werden. Wenn Wissenschaft geopolitisch wird.

Chinesische Forscher haben eine kostengünstige Methode zur Massenproduktion von optischen Chips entwickelt, die in Supercomputern und Datenzentren eingesetzt werden. Diese Innovation könnte dazu beitragen, die Auswirkungen von US-Sanktionen zu verringern, berichtet eine Studie, die am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

Optische Chips: Lichtpartikel zur Datenverarbeitung

Die Chips, auch als Photonische Integrierte Schaltungen (PIC) bekannt, nutzen Photonen - Lichtpartikel - zur Verarbeitung und Übertragung von Informationen. Sie enthalten typischerweise Hunderte von photonischen Komponenten und werden hauptsächlich in der Glasfaserkommunikation oder der photonischen Datenverarbeitung eingesetzt, um die Übertragungsgeschwindigkeiten zu erhöhen und den Energieverbrauch zu senken.

PICs können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter Lithium-Niobat, das wegen seiner Eigenschaften bei der Umwandlung von elektronischen Daten in photonische Informationen für diesen Einsatz beliebt ist.

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"Die industrielle Nutzung dieser Technologie wird jedoch durch die hohen Kosten pro Wafer und die begrenzte Wafergröße behindert", erklären Ou Xin, Professor am Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, und Tobias Kippenberg von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Studie.

Lithium-Tantalat: Die kostengünstige Alternative

Das Team von Ou entschied sich für ein alternatives Halbleitermaterial, Lithium-Tantalat (LiTaO3), das besser als Lithium-Niobat abschneidet und eine kostengünstige Massenproduktion ermöglicht, da der Herstellungsprozess stärker an kommerzielle Siliziummethoden angelehnt ist. Die niedrigeren Kosten werden durch die Nachfrage von Unternehmen aus der Verbraucherelektronik getrieben.

"Lithium-Tantalat wurde bereits kommerziell für 5G-Funkfrequenzfilter" – also in Smartphones – "übernommen und bietet skalierbare Herstellung zu niedrigen Kosten. Es hat gleiche und in einigen Fällen überlegene Eigenschaften wie Lithium-Niobat", heißt es in der Studie.

Neue Methode zur Herstellung von PICs

Die Herstellung von PICs ähnelt der von elektronischen integrierten Schaltungen und beinhaltet die Strukturierung der Wafer mit lithographischen Techniken, gefolgt von Ätzen und Materialabscheidung. Das Team entwickelte kompatible Verarbeitungstechnologien für Lithium-Tantalat-Wafer.

Mit einem auf tiefem Ultraviolett basierenden Stepper-Herstellungsprozess zeigte das Team, dass Lithium-Tantalat geätzt werden kann, um PICs mit geringen Verlusten zu erzeugen. Die Forscher sind der Meinung, dass diese Technik auch in der Präzisionsmessung und Laser-Bildgebungserkennung und -Reichweite eingesetzt werden könnte.

Auswirkungen auf den Technologiemarkt

Diese Technik könnte China dabei helfen, die Auswirkungen von Beschränkungen, die von den USA und einigen ihrer wichtigsten Verbündeten verhängt wurden, zu verringern. Diese Beschränkungen beinhalten Exportkontrollen und Sanktionen, die darauf abzielen, Chinas Zugang zu fortschrittlichen Chips und Fertigungsausrüstungen einzuschränken.

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Novel Si Integration Technology, ein Start-up, das vom Shanghai Institute gegründet wurde, hat bereits die Kapazität, Acht-Zoll-Wafer mit dem neuen Material in Massen zu produzieren und hat kommerziell umsetzbare Mikrofertigungsmethoden entwickelt. Damit bietet es eine Materialbasis für inländische optische und Funkfrequenzchips, berichtet der staatseigene China News Service.

"Unsere Arbeit ebnet den Weg für die skalierbare Herstellung von kostengünstigen und großvolumigen, nächsten Generation elektro-optischen PICs", betont Ou und unterstreicht das Potenzial von Lithium-Tantalat in drahtlosen Anwendungen.

Technische Details Nature-Studie

Die Autoren schreiben zu ihrer Studie:

Elektrooptische photonische integrierte Schaltungen (PICs) auf der Basis von Lithiumniobat (LiNbO3) haben das enorme Potenzial von Materialien mit hohem Pockels-Koeffizienten demonstriert. Sie ermöglichen lineare und schnelle Modulatoren, die auf komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Spannungsniveaus arbeiten und in Anwendungen wie der Kommunikation in Datenzentren, Hochleistungsrechnern und photonischen Beschleunigern für die KI5 eingesetzt werden können.

Die industrielle Nutzung dieser Technologie wird jedoch durch die hohen Kosten pro Wafer und die begrenzte Wafergröße behindert. Die hohen Kosten sind auf das Fehlen großflächiger Anwendungen in anderen Bereichen zurückzuführen, die die Einführung der Silizium-auf-Isolator (SOI)-Photonik beschleunigt haben, die durch massive Investitionen in die Mikroelektronik vorangetrieben wurde.

Hier berichten wir über verlustarme PICs aus Lithiumtantalat (LiTaO3), einem Material, das bereits kommerziell für 5G-Hochfrequenzfilter eingesetzt wird und daher eine skalierbare Herstellung zu niedrigen Kosten ermöglicht. Es hat die gleichen und in einigen Fällen sogar bessere Eigenschaften als LiNbO3.

Wir zeigen, dass LiTaO3 geätzt werden kann, um verlustarme (dB m-1) PICs durch einen schrittweisen Herstellungsprozess im tiefen Ultraviolett (DUV) herzustellen. Wir demonstrieren einen LiTaO3-Mach-Zehnder-Modulator (MZM) mit einem Halbwellenspannungs-Längenprodukt von 1,9 Vcm und einer elektrooptischen Bandbreite von bis zu 40 GHz.

Im Vergleich zu LiNbO3 weist LiTaO3 eine deutlich geringere Doppelbrechung auf, was Schaltungen mit hoher Dichte und einen breitbandigen Betrieb über alle Telekommunikationsbänder ermöglicht.

Weiterhin unterstützt die Plattform die Erzeugung von Soliton-Mikrokämmen. Unsere Arbeiten ebnen den Weg für die skalierbare Herstellung kostengünstiger elektrooptischer PICs der nächsten Generation in großen Stückzahlen.

Wang, C., Li, Z., Riemensberger, J. et al. Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07369-1
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