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Brillouin-Streuung: Schlüssel zu den ICs der dritten Generation?

Eine Renaissance in der Forschung mit chipbasierten Steuerungen von Licht-Schall-Interaktionen könnte 5G- und Breitbandnetze, die Satellitenkommunikation, die Sensorik und die Militärindustrie transformieren.

Glasfasern sind unser globales Nervensystem, das im Handumdrehen Terabyte an Daten über den Planeten transportiert.

Während diese Informationen mit Lichtgeschwindigkeit über den Globus wandern, erzeugt die Energie der Lichtwellen, die im Inneren der Siliziumdioxid- und Polymerfasern umherspringen, winzige Vibrationen, die zu Rückkopplungspaketen von Schallwellen führen, die als "Phononen" bezeichnet werden.

Diese Rückkopplung bewirkt, dass sich das Licht zerstreut, ein Phänomen, das als "Brillouin-Streuung" bekannt ist. Für die meisten Unternehmen der Elektronik- und Kommunikationsindustrie ist diese Lichtstreuung störend und reduziert die Signalleistung.

Aber für eine aufstrebende Gruppe von Wissenschaftlern wird dieser Rückkopplungsprozess adaptiert, um eine neue Generation von integrierten Schaltungen zu entwickeln, die unsere 5G- und Breitbandnetze, Sensoren, die Satellitenkommunikation, Radarsysteme, Militärsysteme und sogar die Radioastronomie revolutionieren können.

"Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass eine Renaissance der Forschung in diesem Prozess stattfindet", sagte Professor Ben Eggleton, Direktor des Nano-Instituts der University of Sydney und Mitautor eines in "Nature Photonics" veröffentlichten Forschungsberichtes.

"Die Anwendung dieser Wechselwirkung zwischen Licht und Schall auf einem Chip bietet die Möglichkeit einer Revolution der dritten Welle in integrierten Schaltungen."

Die Entdeckungen der Mikroelektronik nach dem Zweiten Weltkrieg stellten die erste Welle der integrierten Schaltungen dar, was zur Allgegenwart von elektronischen Geräten führte, die auf Siliziumchips basieren, wie beispielsweise das Mobiltelefon.

Die zweite Welle kam um die Jahrhundertwende mit der Entwicklung optischer Elektroniksysteme, die zum Rückgrat riesiger Rechenzentren auf der ganzen Welt geworden sind.

Erst Strom, dann Licht. Und jetzt die dritte Welle mit Schallwellen.

Professor Eggleton ist ein weltweit führender Forscher, der untersucht, wie man diese Photon-Phonon-Interaktion zur Lösung realer Probleme einsetzen kann. Sein Forschungsteam am Sydney Nanoscience Hub und an der School of Physics hat mehr als 70 Berichte zu diesem Thema verfasst.

In Zusammenarbeit mit anderen weltweit führenden Experten auf diesem Gebiet veröffentlichte Eggleton einen Übersichtsartikel in "Nature Photonics", in dem er die Geschichte und das Potenzial dessen beschreibt, was Wissenschaftler als "Brillouin Integrated Photonics" bezeichnen.

Seine Co-Autoren waren Professor Christopher Poulton von der University of Technology Sydney, Professor Peter Rakich von der Yale University, Professor Michael Steel von der Macquarie University und Professor Gaurav Bahl von der University of Illinois in Urbana-Champaign.

Professor Bahl: "Dieser Bericht beschreibt die reiche Physik, die sich aus einer so grundlegenden Wechselwirkung, wie der zwischen Licht und Ton, ergibt, die in allen Zuständen der Materie zu finden ist."

"Wir sehen nicht nur immense technologische Anwendungen, sondern auch die Fülle der reinen wissenschaftlichen Untersuchungen, die nunmehr ermöglicht werden."

"Die Brillouin-Streuung von Licht hilft uns, Materialeigenschaften zu messen und zu transformieren, wie Licht und Schall durch Materialien wandern, kleine Objekte zu kühlen, Raum, Zeit und Trägheit zu messen und sogar optische Informationen zu transportieren."

Die Streuung des Lichts durch seine Wechselwirkung mit akustischen Phononen wurde 1922 vom französischen Physiker Leon Brillouin vorhergesagt.

In den 1960er und 1970er Jahren entdeckte man einen interessanten Prozess, mit dem man eine verbesserte Rückkopplung zwischen Photonen (Licht) und Phononen (Schall) erzeugen konnte. Dies wird als stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) bezeichnet.

In diesem SBS-Prozess werden Licht und Schallwellen "gekoppelt", was dadurch verstärkt wird, dass sich die Wellenlängen von Licht und Schall ähnlich sind, obwohl ihre Geschwindigkeiten um viele Größenordnungen auseinander liegen: Licht wandert 100.000-mal schneller als Schall, was erklärt, warum man Blitze sieht, bevor man den Donner hört.

Aber warum sollte man die Leistung dieses Brillouin-Feedback-Effekts erhöhen wollen? "Die Verwaltung von Informationen auf einem Mikrochip kann viel Strom verbrauchen und viel Wärme erzeugen", sagte Professor Eggleton.

"Mit zunehmender Abhängigkeit von optischen Daten ist der Prozess der Wechselwirkung von Licht mit mikroelektronischen Systemen problematisch geworden. Der SBS-Prozess bietet uns eine völlig neue Möglichkeit, optische Informationen in eine Chip-Umgebung zu integrieren, indem Schallwellen als Puffer verwendet werden, um die Daten zu verlangsamen, und zwar ohne die Wärme, die elektronische Systeme erzeugen."

"Darüber hinaus bieten integrierte Schaltungen mit SBS die Möglichkeit, Komponenten in Flug- und Navigationssystemen zu ersetzen, die 100- oder 1000-fach schwerer sein können. Das wird kein trivialer Erfolg sein."

Wie man den Prozess der Licht-Ton-Interaktion unter Kontrolle halten kann, war der Knackpunkt, aber wie Professor Eggleton und seine Kollegen in "Nature Photonics" betonen, hat das letzte Jahrzehnt dahingehend enorme Fortschritte gemacht.

Im Jahr 2017 gaben die Forscher Dr. Birgit Stiller und Moritz Merklein von der Eggleton Group an der University of Sydney den weltweit ersten Transfer von Licht in akustische Informationen auf einem Chip bekannt.

Um den Unterschied zwischen Licht- und Schallgeschwindigkeit zu betonen, wurde dies als "Speichern von Blitzen im Donner" bezeichnet.

Dr. Amol Choudhary führte diese Arbeit 2018 weiter fort und entwickelte eine chipbasierte Informationswiederherstellungstechnik, die den Bedarf an sperrigen Verarbeitungssystemen eliminierte.

"Es geht darum, die Komplexität dieser Systeme zu reduzieren, damit wir einen allgemeinen konzeptionellen Rahmen für ein vollständig integriertes System entwickeln können", sagte Professor Eggleton.

Das Interesse von Wirtschaft und Verwaltung an der Einführung dieser Systeme nimmt nach Angaben der Forscher zu.

Sydney Nano hat kürzlich eine Partnerschaft mit der Royal Australian Air Force unterzeichnet, um mit ihrem Jericho-Programm die Sensorfähigkeiten der RAAF zu revolutionieren. Unternehmen wie Lockheed Martin und Harris Corporation arbeiten ebenfalls mit der Eggleton Group zusammen.

Zukünftige Herausforderungen

Es gilt, Barrieren zu überwinden, bevor sich dieses integrierte System im Chipmaßstab kommerziell einsetzen lässt, aber der Gewinn in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistung (SWAP) wird die Mühe wert sein, so Professor Eggleton.

Die erste Herausforderung besteht darin, eine Architektur zu entwickeln, die Mikrowellen- und Hochfrequenzprozessoren mit optisch-akustischen Wechselwirkungen integriert. Wie die Ergebnisse der Eggleton-Gruppe zeigen, gibt es große Fortschritte in dieser Richtung.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, das "Rauschen" (oder die Interferenz) im System zu reduzieren, das durch unerwünschte Lichtstreuung verursacht wird, die das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert.

Ein Vorschlag ist, dass die Chips bei Tieftemperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten sollen. Dies hätte zwar erhebliche praktische Auswirkungen, könnte aber auch Quantenprozesse ins Spiel bringen und eine bessere Kontrolle der Photon-Phonon-Interaktion ermöglichen.

Es gibt auch eine aktive Untersuchung der am besten geeigneten Materialien, auf denen diese integrierten Systeme aufgebaut werden können. Silizium hat seine offensichtlichen Vorteile, da die meisten Mikroelektroniken mit diesem billigen, reichlich vorhandenen Material hergestellt werden.

Die in den Glasfasern verwendete Kieselsäure in Verbindung mit dem Siliziumsubstrat bedeutet jedoch, dass aufgrund der Materialähnlichkeit Informationen austreten können.

Materialien zu finden, die elastisch und unelastisch genug sind, um die Licht- und Schallwellen beizubehalten und gleichzeitig ihre Interaktion zu ermöglichen, ist ein vorgeschlagener Weg.

Einige Forschungsgruppen verwenden Chalkogenid, ein Weichglassubstrat mit hohem Brechungsindex und geringer Steifigkeit, das die optischen und elastischen Wellen beibehalten kann.

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