Alle Elemente, eine Struktur
So kombiniert der Chip eine Lichtquelle mit einem Modulator, einer Photodiode, die Licht in elektrischen Strom umwandelt, einem Wellenleiter als Kanal, durch den sich das Licht bewegt sowie einem Y-Verzweigungssplitter. Alle Bestandteile basieren auf einer Galliumnitrid (GaN)-auf-Silizium-Plattform. Dadurch, dass alle aktiven Bauelemente auf derselben ultravioletten InGaN/AlGaN-Multiple-Quantum-Well (MQW)-Struktur aufgebaut sind, reduzieren sich die Herstellungskomplexität und -kosten erheblich.
Um ihr Konzept zu realisieren, haben die Forscher den integrierten photonischen Schaltkreis auf der Grundlage der GaN-on-Silicon-Plattform entwickelt, wobei sie III-Nitrid-Epitaxieschichten verwendeten, die durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung aufgewachsen sind. Der monolithische Top-Down-Ansatz baut III-Nitrid-Sender, -Modulatoren, -Wellenleiter, -Strahlteiler, -Empfänger und -Monitore auf einem konventionellen GaN-on-Silizium-Wafer auf und erfordert kein Regrowth oder Postgrowth-Doping.
Datenübertragung mit Licht
Die Forscher charakterisierten den resultierenden Chip umfassend aus verschiedenen Blickwinkeln, um die Effektivität dieses innovativen photonischen Integrationsschemas zu validieren. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen: Eine höhere Sperrvorspannung am Modulator führt zu mehr Lichtabsorption, die durch Änderungen des Absorptionskoeffizienten verursacht wird. Dieser ausgeprägte Modulationseffekt spiegelt sich in den Fotostrom-Änderungen des Empfängers wider. Das Testsystem zeigt ein vernachlässigbares Übersprechen.
Die Isolierung zwischen Lichtquelle und Modulator auf demselben Wellenleiter, die durch die Trennung der p-Kontaktschichten erreicht wurde, hat sich als ausreichend für eine optimale Systemleistung erwiesen. Das System überträgt und verarbeitet erfolgreich Daten mithilfe von Licht. Durch den Einsatz direkter und indirekter Modulationen innerhalb eines einzigen Lichtweges, konnten die Forscher zwei Arten von Daten zugleich übertragen oder die Datenübertragung eines Modulationssignals mit einer anderen Modulation verschlüsseln.
"Mit weiteren Fortschritten bei der III-Nitrid-Ätzgenauigkeit hat das vorgeschlagene Integrationsschema ein enormes Potenzial als wettbewerbsfähige Lösung für die photonische Integration der nächsten Generation", so Hauptautor Yongjin Wang. Dies gelte insbesondere für die Sensorik, in der hohe Integrationsdichte keine kritische Anforderung darstelle. Im Bereich der Photonik bietet die Integration diverser optischer Bauelemente auf einem einzigen Substrat große Chancen für zahlreiche Anwendungen. Dieser revolutionäre Ansatz der photonischen Integration hat große Vorteile wie geringere Größe, Kosten und Stromverbrauch.
Den Bericht dazu haben die Wissenschaftler kürzlich in "Advanced Photonics Nexus" publiziert. (pte)